WO2005039754A1 - Ultraschallreaktor - Google Patents

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WO2005039754A1
WO2005039754A1 PCT/EP2003/010742 EP0310742W WO2005039754A1 WO 2005039754 A1 WO2005039754 A1 WO 2005039754A1 EP 0310742 W EP0310742 W EP 0310742W WO 2005039754 A1 WO2005039754 A1 WO 2005039754A1
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reactor
ultrasonic
liquid
cavitation
ultrasound
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PCT/EP2003/010742
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Uwe Neis
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Ultrawaves Wasser- Und Umwelttechnologie Gmbh
Sonotronic Nagel Gmbh
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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C02F1/36—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/19—Details relating to the geometry of the reactor
    • B01J2219/192—Details relating to the geometry of the reactor polygonal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic reactor for the ultrasonic treatment of liquids, in particular aqueous suspensions such as waste water, process water, liquid manure or sewage sludge, with a reactor housing which has at least one liquid inlet and at least one liquid outlet and is subdivided into reactor sections which are each provided with at least one ultrasonic oscillator. wherein the liquid entering through the liquid inlet flows through the reactor sections in sequence and after the last reactor section reaches the liquid outlet.
  • aqueous suspensions such as waste water, process water, liquid manure or sewage sludge
  • Such a reactor is known for example from DE 195 17 381 C1.
  • This consists of a steel tube for the passage of the sludge and at least one ultrasound transmitter in the form of a rod-shaped ultrasound transducer made of stainless steel or titanium and comprising an electromechanical transducer.
  • Several such steel tubes can be connected to form a multi-stage reactor, either a zigzag arrangement with oblique steel tubes or a lattice arrangement being recommended.
  • Such ultrasound reactors can be used in the municipal economy for drinking water treatment, wastewater treatment, bio-solids treatment or
  • Bulk sludge control can be used. In agriculture, they are used for biomass utilization, recycling of process water or disinfection of recycled water. In industry, they are useful for industrial wastewater treatment, process water treatment or in connection with surface processes. Pharmaceuticals and food technology use them for
  • Cavitation occurs preferably at low ultrasound frequencies.
  • ultrasound treatment in particular of wastewater and sewage sludge, result in useful effects, which range from killing germs to higher biogas yields as a result of better digested sewage sludge.
  • the object of the invention is to provide an ultrasonic reactor of the type mentioned in the introduction, in which the ultrasonic treatment has a particularly high effectiveness and yield of digested materials in the treated liquid.
  • the invention solves this problem in that the reactor sections have cavitation spaces of different sizes in which the ultrasound generated by the respective ultrasound oscillator is effective.
  • the effectiveness of the ultrasound treatment can be influenced by the shape of the cavitation spaces in which cavitation bubbles are created by the ultrasound radiation. This may be related to the energy density of the radiated ultrasound waves.
  • the invention therefore also includes reactor devices in which different energy irradiation is achieved by different powers of the ultrasonic vibrators. possibly Due to the different conditions in the different reactor sections, different constituents of the sewage sludge or the liquid to be treated are also converted particularly well, so that there is an overall increase in effectiveness.
  • Cavitation rooms with sizes decreasing in the flow direction are arranged. This results in an increasing concentration of the available sound energy in the successive cavitation rooms.
  • a particularly effective arrangement provides that the volume difference between successive cavitation spaces is 5 percent to 20 percent, preferably about 10 percent of the sonicated volume.
  • a further improvement in the yield of the ultrasound reactor is achieved by the measure that the reactor sections have essentially non-sonicated reaction spaces which are arranged after the cavitation spaces in the direction of flow of the liquid to be treated. It has turned out to be favorable if the liquid to be treated also has periods of time without ultrasound radiation between the periods of cavitation formation in which the reactions and conversions stimulated by the ultrasound radiation can take place.
  • the ultrasonic transducers may also be useful in individual cases if the ultrasonic transducers do not work continuously, but rather in pulse mode. Periodic periods of time then remain between the ultrasound pulses, in which the desired reactions can take place effectively.
  • Reactor sections with five ultrasonic transducers are provided.
  • the reactor sections are arranged essentially horizontally next to one another, preferably in a row, and that the ultrasonic vibrators protrude into the reactor sections from above. This arrangement has little
  • the effectiveness of the ultrasound treatment can be increased further by operating the ultrasound transducers with different ultrasound frequencies.
  • the ultrasound process works better at certain frequencies or in certain frequency ranges than in others. There can also be a synergy effect in successive ultrasound treatments with different ultrasound frequencies.
  • the respective ultrasonic transducer must be replaced with another in the event of a desired frequency change. This in turn is possible in a particularly simple manner if the ultrasonic vibrators, as described above, protrude into the reactor sections from above.
  • a particularly simple and inexpensive to produce embodiment of the invention provides that the reactor housing consists of a trough, a trough or an elongated box with a substantially horizontally oriented longitudinal axis, which is divided by partition walls into reactor sections, and that the bottom of the reactor housing from the liquid inlet side to
  • Liquid outlet side is designed to rise, so that the sonicated volumes of the individual cavitation rooms are arranged to decrease in the direction of flow.
  • the individual reactor sections merge into one another, so to speak, without having to individually design and connect them to one another.
  • the reactor housing and the partition walls are made of stainless steel.
  • the intermediate walls are aligned essentially vertically and are provided with liquid passages, which are arranged alternately on the upper or lower side in the case of successive intermediate walls, so that the liquid meandering alternately upward or downward from a cavitation space into a reaction space and flows further into the next cavitation space of the subsequent reactor section. Due to the meandering liquid flow, vortex formation occurs, which means that the liquid to be treated is constantly mixed vigorously. In addition, there is a shorter design of the
  • Ultrasonic reactor than in the event that the liquid would only flow straight ahead. It has proven to be particularly effective if the liquid moves from top to bottom in the cavitation rooms exposed to ultrasonic vibrations.
  • the ultrasonic vibrators convert electrical energy of up to 2 kilowatts into mechanical vibrations with frequencies of 20 kilohertz to 10 megahertz by means of piezo-ceramic or magneto-restrictive effects.
  • the piezo-ceramic effect is more effective, but corresponding ultrasonic transducers are more expensive to manufacture and, conversely, an ultrasonic transducer based on the magneto-restrictive effect is cheaper, but less effective.
  • Figure 1 an ultrasonic reactor according to the invention in a schematic representation, in longitudinal section;
  • Figure 2 a side view of the same ultrasonic reactor seen from the liquid inlet side.
  • FIG. 1 shows an ultrasound reactor with a box-shaped reactor housing 1 made of stainless steel, which is provided with a liquid inlet 2 on the upper left side and a liquid outlet 3 on the upper right side.
  • the reactor has five reactor sections, each consisting of one
  • the cavitation spaces 4, 5, 6, 7, 8 are each provided with an ultrasonic oscillator 14 which projects into the respective cavitation space 4, 5, 6, 7, 8 from above.
  • the cavitation spaces 4, 5, 6, 7, 8 are each of the subsequent reaction spaces 9, 10, 11, 12, 13 through
  • the reactor housing 1 stands on feet 22, 23.
  • the bottom 20 of the reactor housing 1 is designed to increase from left to right in the illustration in FIG. This will sonicate them with ultrasound
  • Cavitation rooms 4, 5, 6, 7, 8 are constantly smaller from left to right.
  • the liquid to be treated enters in the direction of arrow 24 through the liquid inlet 2 and then flows around the ultrasound-radiating end region 26 of the ultrasound oscillator 14.
  • the direction of flow is from top to bottom.
  • the ultrasonic reactor shown is used in particular for the disintegration of biological cells in aqueous suspensions such as water, waste water, sewage sludge or liquid manure, with the aid of cavitation caused by ultrasound in conjunction with sonochemical reactions.
  • aqueous suspensions such as water, waste water, sewage sludge or liquid manure
  • cavitation caused by ultrasound in conjunction with sonochemical reactions.
  • This will dissolved organic high-molecular substances in water and waste water, in particular industrial in nature, which are generally not biodegradable or difficult to decompose, changed or broken down in their chemical structure in such a way that they are subsequently biodegradable.
  • the ultrasonic waves used are in the frequency range of
  • the high-energy ultrasonic waves are generated with the help of vibrating structures, which use piezo-ceramic or magneto-strictive effects to convert electrical energy of up to 2 kilowatts into ultrasound. This results in specific energy inputs of more than 0.1 kilowatt hour / m 3 of sonicated medium.
  • the arrangement of five ultrasonic vibrators 14 in a reactor housing 1 enables the cavitation spaces 4, 5, 6, 7, 8 to be adapted to the respective medium and optimized for the purpose of the treatment in conjunction with the formation of adapted reaction spaces 9, 10, 11, 12, 13, in which the course of the sonochemical reactions becomes possible.
  • the individual ultrasonic vibrators 14 can also work at different frequencies if required.

Abstract

Zur Verbesserung der Effektivität und Wirksamkeit des Behandlungsprozesses eines Ultraschallreaktors zur Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten, insbesondere wässrigen Suspensionen wie Abwässern, Prozesswässern, Gülle oder Klärschlämmen, mit einem Reaktorgehäuse (1), das mindestens einen Flüssigkeitseinlass (2) und mindestens einen Flüssigkeitsauslass (3) aufweist und in Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) unterteilt ist, die jeweils mit mindestens einem Ultraschallschwinger (14) versehen sind, wobei die durch den Flüssigkeitseinlass (2) eintretende Flüssigkeit die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) der Reihe nach durchfliesst und nach dem letzten Reaktorabschnitt (8, 13) zum Flüssigkeitsauslass (3) gelangt, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) unterschiedlich grosse Kavitationsräume (4, 5, 6, 7, 8) aufweisen, in denen der vom jeweiligen Ultraschallschwinger (14) erzeugte Ultraschall wirksam ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallreaktor zur Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten, insbesondere wässrigen Suspensionen wie Abwässern, Prozesswässern, Gülle oder Klärschlämmen, mit einem Reaktorgehäuse, das mindestens einen Flussigkeitseinlass und mindestens einen Flüssigkeitsauslass aufweist und in Reaktorabschnitte unterteilt ist, die jeweils mit mindestens einem Ultraschallschwinger versehen sind, wobei die durch den Flussigkeitseinlass eintretende Flüssigkeit die Reaktorabschnitte der Reihe nach durchfließt und nach den letztem Reaktorabschnitt zum Flüssigkeitsauslass gelangt.
Ein derartiger Reaktor ist beispielsweise aus der DE 195 17 381 C1 bekannt. Dieser besteht aus einem Stahlrohr für die Hindurchführung des Schlammes und aus mindestens einem Ultraschallgeber in Form eines einen elektromechanischen Wandler umfassenden stabförmigen Ultraschallschwingers aus Edelstahl oder Titan. Mehrere solcher Stahlrohre können dabei zu einem mehrstufigen Reaktor zusammengeschaltet werden, wobei entweder eine zick- zack-förmige Anordnung mit schräg verlaufenden Stahlrohren oder eine gitterförmige Anordnung empfohlen wird.
Derartige Ultraschallreaktoren können in der Kommunalwirtschaft zur Trinkwasseraufbereitung, Abwasserbehandlung, Biofeststoffbehandlung oder
Blähschlammbekämpfung eingesetzt werden. In der Landwirtschaft dienen sie zur Biomasseverwertung, Recycling von Brauchwässern oder Desinfektionen von Recycelwässern. In der Industrie sind sie nützlich bei der industriellen Abwasserreinigung, Prozesswasserbehandlung oder in Zusammenhang mit Oberflächenprozessen. Die Pharmazie und Lebensmitteltechnik nutzt sie zur
Verfügbarmachung von Zellinhaltsstoffen oder zur Desorption von organischen Substanzen. Dabei sind die physikalischen und chemischen Prozesse noch nicht restlos geklärt. In jedem Fall kommt es bei der Einstrahlung von Ultraschall mit hoher Leistung zur Kavitationsbildung, wobei mikroskopisch kleine Kavitationsblasen gebildet werden, die anschließend heftig implodieren. Dabei entstehen im Inneren der Dampfblasen Drücke von 500 bar und Temperaturen bis über 5.000 Kelvin. Allein aufgrund des Implosionsstoßes in Folge der Kavitation werden die Zellen von Mikroben mechanisch zerstört und damit für nachfolgende chemische Umwandlungen aufgeschlossen. Dasselbe gilt für
Agglomerate von im Schlamm befindlicher Bio-Masse. Aufgrund der hohen Drücke und Temperaturen im Inneren der Kavitationsblasen kommt es zu chemischen Umwandlungen, die sonst in dem jeweiligen Medium nicht von sich aus ablaufen würden. Derartige Sonochemie spielt sich vorzugsweise bei der Einstrahlung von Ultraschall von relativ hohen Frequenzen ab, während
Kavitation vorzugsweise bei niedrigen Ultraschallfrequenzen entsteht. Insgesamt ergeben sich in Folge der Ultraschallbehandlung insbesondere von Abwässern und Klärschlämmen nützliche Effekte, die von der Abtötung von Keimen bis zu höheren Biogasausbeuten in Folge besser aufgeschlossenen Klärschlamms reichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallreaktor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Ultraschallbehandlung eine besonders hohe Effektivität und Ausbeute an aufgeschlossenen Materialien in der behandelten Flüssigkeit aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Reaktorabschnitte unterschiedlich große Kavitationsräume aufweisen, in denen der vom jeweiligen Ultraschallschwinger erzeugte Ultraschall wirksam ist.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Wirksamkeit der Ultraschallbehandlung durch die Formgebung der Kavitationsräume, in denen durch die Ultraschalleinstrahlung Kavitationsbläschen entstehen, beeinflussbar ist. Möglicherweise hängt dies mit der Energiedichte der eingestrahlten Ultraschallwellen zusammen. Die Erfindung umfasst daher auch Reaktorvorrichtungen, bei denen eine unterschiedliche Energieeinstrahlung durch unterschiedliche Leistungen der Ultraschallschwinger erzielt wird. Möglicherweise werden durch die unterschiedlichen Bedingungen in den verschiedenen Reaktorabschnitten auch verschiedene Bestandteile des Klärschlamms oder der zu behandelnden Flüssigkeit besonders gut umgewandelt, so dass sich insgesamt eine Effektivitätssteigerung ergibt.
Als besonders wirksam hat sich dabei die Maßnahme erwiesen, dass die
Kavitationsräume mit in Fließrichtung abnehmenden Größen angeordnet sind. Dies ergibt eine zunehmende Konzentration der zur Verfügung stehenden Schallenergie in den aufeinanderfolgenden Kavitationsräumen.
Eine besonders effektive Anordnung sieht vor, dass der Volumenunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Kavitationsräumen 5 Prozent bis 20 Prozent, vorzugsweise etwa 10 Prozent des beschallten Volumens beträgt.
Eine weitere Verbesserung der Ausbeute des Ultraschallreaktors wird durch die Maßnahme erzielt, dass die Reaktorabschnitte im wesentlichen nicht beschallte Reaktionsräume aufweisen, die in Fließrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit nach den Kavitationsräumen angeordnet sind. Es hat sich nämlich als günstig herausgestellt, wenn die zu behandelnde Flüssigkeit zwischen den Zeitabschnitten der Kavitationsbildung auch Zeitabschnitte ohne Ultraschalleinstrahlung zur Verfügung hat, in denen sich die durch die Ultraschalleinstrahlung angeregten Reaktionen und Umwandlungen abspielen können.
Deshalb kann es unter Umständen im Einzelfall auch nützlich sein, wenn die Ultraschallschwinger nicht kontinuierlich, sondern im Pulsbetrieb arbeiten. Zwischen den Ultraschallimpulsen verbleiben somit immer wieder periodische Zeitabschnitte, in denen die gewünschten Reaktionen effektiv ablaufen können.
Als besonders effektiv hat sich eine Ausführungsform herausgestellt, bei der fünf
Reaktorabschnitte mit fünf Ultraschallschwingern vorgesehen sind. Bei einer kleineren Anzahl von Ultraschallschwingern hat man einerseits eine geringere Zahl von effektivitätssteigernden Wechseln zwischen bestrahlten und unbestrahlten Abschnitten der zu behandelnden Flüssigkeit und gleichzeitig eine geringere eingestrahlte Gesamtleistung, denn die Leistung eines einzelnen Ultraschallschwingers lässt sich nicht beliebig steigern. Beides führt zu einer Abnahme der Effektivität der Reaktorleistung. Sieht man dagegen mehr als 5 Ultraschallschwinger vor, so wird der Ultraschallreaktor insgesamt größer, schwerer und kostenaufwendiger in der Herstellung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reaktorabschnitte im wesentlichen horizontal nebeneinander liegend, vorzugsweise in einer Reihe, angeordnet sind und dass die Ultraschallschwinger von oben in die Reaktorabschnitte hineinragen. Diese Anordnung weist geringe
Höhenunterschiede und damit geringe Druckunterschiede in der zu behandelnden Flüssigkeit über den gesamten Bereich des Reaktors auf. Aufgrund geringer Flüssigkeitsdrücke wird mit Vorteil eine Behinderung der Kavitationsblasenbildung vermieden. Die von oben in die Reaktorabschnitte hineinragenden Ultraschallschwinger können bei Wartungsarbeiten auf einfache
Weise nach oben herausgenommen, gewartet und wieder eingesetzt oder ggf. durch andere Ultraschallschwinger ersetzt werden, ohne dass hierfür der Ultraschallreaktor geleert werden müsste. Daraus ergibt sich eine besondere Wartungsfreundlichkeit.
Die Effektivität der Ultraschallbehandlung kann dadurch noch gesteigert werden, dass die Ultraschallschwinger mit unterschiedlichen Ultraschallfrequenzen betrieben werden. Je nach Anwendungsbereich des Ultraschallreaktors und in Abhängigkeit von den zu behandelnden Medien und den erwünschten Ergebnissen funktioniert das Ultraschallverfahren bei bestimmten Frequenzen oder in bestimmten Frequenzbereichen besser als in anderen. Es kann auch zu einem Synergieeffekt bei aufeinanderfolgenden Ultraschallbehandlungen mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen kommen.
Da die üblicherweise erhältlichen Ultraschallschwinger auf die Abstrahlung einer bestimmten Frequenz optimiert sind und nicht einfach auf einer vollkommen anderen Frequenz betrieben werden können, muss im Falle einer gewünschten Frequenzänderung der jeweilige Ultraschallschwinger gegen einen anderen ausgetauscht werden. Dies wiederum ist in besonders einfacher Weise möglich, wenn die Ultraschallschwinger, wie vorher beschrieben, von oben in die Reaktorabschnitte hineinragen.
Eine besonders einfache und kostengünstig herstellbare Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Reaktorgehäuse aus einer Wanne, einem Trog oder länglichen Kasten mit im wesentlichen horizontal ausgerichteter Längsachse besteht, der durch Zwischenwände in Reaktorabschnitte unterteilt ist, und dass der Boden des Reaktorgehäuses von der Flüssigkeitseinlassseite zur
Flüssigkeitsauslassseite hin ansteigend ausgestaltet ist, so dass die beschallten Volumina der einzelnen Kavitationsräume in Fließrichtung abnehmend angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform gehen die einzelnen Reaktorabschnitte sozusagen einstückig ineinander über, ohne dass man sie einzeln ausgestalten und miteinander verbinden müsste. Am zweckmäßigsten besteht das Reaktorgehäuse und die Zwischenwände aus Edelstahl.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Zwischenwände im wesentlichen vertikal ausgerichtet und mit Flüssigkeitsdurchlässen versehen, die bei in Fließrichtung aufeinanderfolgenden Zwischenwänden abwechselnd an der Ober- oder Unterseite angeordnet sind, so dass die Flüssigkeit mäanderförmig abwechselnd nach oben oder unten schlängelnd von einem Kavitationsraum in einen Reaktionsraum und weiter in den nächsten Kavitationsraum des nachfolgenden Reaktorabschnittes fließt. Auf Grund der mäanderförmigen Flüssigkeitsführung kommt es zur Wirbelbildung, wodurch die zu behandelnde Flüssigkeit immer wieder heftig durchmischt wird. Außerdem ergibt sich eine kürzere Bauweise des
Ultraschallreaktors als in dem Fall, dass die Flüssigkeit lediglich geradeaus fließen würde. Als besonders effektiv hat es sich erwiesen, wenn sich die Flüssigkeit in den mit Ultraschallschwingungen beaufschlagten Kavitationsräumen von oben nach unten bewegt.
Die Maßnahme, dass Flussigkeitseinlass und Flüssigkeitsauslass jeweils im oberen Bereich des Reaktorgehäuses angeordnet sind, verhindert eine
Ansammlung von Gasblasen im oberen Reaktorbereich. Außerdem hat somit der Flussigkeitseinlass und der Flüssigkeitsauslass ein gleiches Druckniveau. Schließlich harmonisiert diese Anordnung auch besonders gut mit der Abfolge von Kavitationsräumen und Reaktionsräumen unter der Voraussetzung, dass der Flussigkeitseinlass direkt in den oberen Bereich des ersten Kavitationsraumes mündet und die Flüssigkeit dort von oben nach unten fließen soll, während der Flüssigkeitsauslass im oberen Bereich des letzten Reaktionsraumes angeordnet ist und dort die Flüssigkeit von unten nach oben fließt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ultraschallschwinger mittels piezo-keramischer oder magneto-restriktiver Effekte elektrische Energie von bis zu 2 Kilowatt in mechanische Schwingungen mit Frequenzen von 20 Kilohertz bis 10 Megahertz umwandeln. Der piezo- keramische Effekt ist effektiver, aber entsprechende Ultraschallschwinger sind teuerer in der Herstellung und umgekehrt ist ein Ultraschallschwinger auf der Grundlage des magneto-restriktiven Effektes billiger, aber weniger effektiv. Beide
Effekte eignen sich aber hervorragend für den gewünschten Zweck. Dabei lassen sich noch Energien bis zu 2 Kilowatt effektiv in mechanische Schwingungen umwandeln, ohne dass es zu Verlusten oder gar zur Zerstörungen am Ultraschallschwinger oder sonstigen Teilen des Ultraschallreaktors kommt. Für die mittels des erfindungsgemäßen Ultraschallreaktors zu erzielenden Effekte haben sich Ultraschallfrequenzen zwischen 20 Kilohertz und 10 Megahertz als geeignet erwiesen.
Um eine besonders große Effektivität bei den ultraschallinduzierten Umwandlungsprozessen in der zu beschallenden Flüssigkeit zu erzielen, werden spezifische Energieeinträge empfohlen, die größer als 0,1 Kilowattstunde / m3 beschallte Flüssigkeit sind.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:
Figur 1 : einen erfindungsgemäßen Ultraschallreaktor in einer schematischen Darstellung, im Längsschnitt;
Figur 2: eine Seitenansicht desselben Ultraschallreaktors von der Flüssigkeitszulaufseite her gesehen.
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In Figur 1 erkennt man einen Ultraschallreaktor mit einem kastenförmigen Reaktorgehäuse 1 aus Edelstahl, welches an der linken Oberseite mit einem Flussigkeitseinlass 2 und an der rechten Oberseite mit einem Flüssigkeitsauslass 3 versehen ist. Der Reaktor besitzt fünf Reaktorabschnitte, die jeweils aus einem
5 Kavitationsraum 4, 5, 6, 7, 8 und einem Reaktionsraum 9, 10, 11 , 12, 13 bestehen. Die Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 sind jeweils mit einem Ultraschallschwinger 14 versehen, der von oben in den jeweiligen Kavitationsraum 4, 5, 6, 7, 8 hineinragt. Die Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 sind von den jeweils nachfolgenden Reaktionsräumen 9, 10, 11 , 12, 13 jeweils durch
!0 eine Zwischenwand 15 getrennt, die von der Oberseite 16 des Reaktorgehäuses 1 ausgehend nach unten ragt. Unterhalb der Zwischenwände 15 sind Flüssigkeitsdurchlässe 17 vorgesehen, durch die die zu behandelnde Flüssigkeit in Pfeilrichtung 18 hindurchtritt. Zwischen den einzelnen Reaktorabschnitten, d.h. zwischen einem vorgehenden Reaktionsraum 9, 10, 11 , 12, 13 und dem nächsten
!5 Kavitationsraum 4, 5, 6, 7, 8, sind ebenfalls jeweils Zwischenwände 19 vorgesehen, die vom Boden 20 des Reaktorgehäuses 1 ausgehend vertikal nach oben ragen, wobei zwischen den oberen Enden der Zwischenwände 19 und der Oberseite 16 des Reaktorgehäuses 1 jeweils Flüssigkeitsdurchlässe 21 freigelassen sind.
Das Reaktorgehäuse 1 steht auf Füßen 22, 23. Der Boden 20 des Reaktorgehäuses 1 ist in der Darstellung von Figur 1 von links nach rechts ansteigend ausgestaltet. Dadurch werden die mit Ultraschall beschallten
Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 von links nach rechts ständig kleiner.
Die zu behandelnde Flüssigkeit tritt in Pfeilrichtung 24 durch den Flussigkeitseinlass 2 ein und umfließt danach den Ultraschall abstrahlenden Endbereich 26 des Ultraschallschwingers 14. Die Fließrichtung ist hierbei von oben nach unten. Am Übergang zwischen dem Kavitationsraum 4 und dem
Reaktionsraum 9 wird die Flüssigkeit in Pfeilrichtung 18 umgelenkt, so dass sie nach Durchtritt durch den Flüssigkeitsdurchlass 17 von unten nach oben durch den Reaktionsraum 9 fließt. Am oberen Flüssigkeitsdurchlass 21 gelangt die Flüssigkeit vom Reaktionsraum 9 in den nächsten Kavitationsraum 5, der etwas kleiner als der erste Kavitationsraum 4 ausgestaltet ist. Auch hier wird wieder der
Endbereich 26 des Ultraschallschwingers 14 von oben nach unten umflossen, bis sich die Fließrichtung beim Durchtritt zum nächsten Reaktionsraum 10 erneut ändert. Auf diese Weise gelangt die Flüssigkeit in einer ständig auf und ab gerichteten Wellenbewegung von einem Reaktorabschnitt in den nächsten, wobei die aufeinanderfolgenden Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 immer kleiner werden, dabei erhöht sich die Schallenergiedichte. Nach Durchfließen des letzten Reaktionsraums 13 tritt die vollständig behandelte Flüssigkeit in Pfeilrichtung 25 nach rechts durch den Flüssigkeitsauslass 3 aus dem Reaktorgehäuse 1 aus. Insgesamt ergibt sich eine Fließrichtung der Flüssigkeit vom Flussigkeitseinlass 2 zum Flüssigkeitsauslass 3, also von links nach rechts.
Der dargestellte Ultraschallreaktor dient insbesondere zur Desintegration von biologischen Zellen in wässrigen Suspensionen wie Wasser, Abwasser, Klärschlamm oder Gülle, mit Hilfe der durch Ultraschall hervorgerufenen Kavitation in Verbindung mit sonochemischen Reaktionen. Dadurch werden gelöste organische hochmolekulare Substanzen in Wässern und Abwässern, insbesondere industriellen Charakters, welche in der Regel biologisch nicht oder nur schwer abbaubar sind, in ihrer chemischen Struktur so verändert bzw. zerlegt, dass sie danach biologisch abbaubar sind.
Die zur Anwendung kommenden Ultraschallwellen sind im Frequenzbereich von
20 Kilohertz bis 10 Megahertz wirksam. Die hochenergetischen Ultraschallwellen werden mit Hilfe von Schwinggebilden erzeugt, welche über piezo-keramische oder magneto-striktive Effekte elektrische Energie von bis zu 2 Kilowatt Leistung in Ultraschall umwandeln. Dabei kommt es zu spezifischen Energieeinträgen von mehr als 0,1 Kilowattstunde/ m3 beschalltes Medium.
Die Anordnung von fünf Ultraschallschwingern 14 in einem Reaktorgehäuse 1 ermöglicht eine auf das jeweilige Medium angepasste und auf das Ziel der Behandlung hin optimierte Gestaltung der Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 in Verbindung mit der Ausbildung angepasster Reaktionsräume 9, 10, 11 , 12, 13, in denen der Ablauf der sonochemischen Reaktionen möglich wird. Dabei können die einzelnen Ultraschallschwinger 14 bei Bedarf auch mit unterschiedlicher Frequenz arbeiten.
BEZUGSZEICHENLISTE
Reaktorgehäuse
Flussigkeitseinlass
Flüssigkeitsauslass
Kavitationsraum
Kavitationsraum
Kavitationsraum
Kavitationsraum
Kavitationsraum
Reaktionsraum
Reaktionsraum
Reaktionsraum
Reaktionsraum
Reaktionsraum
Ultraschallschwinger
Zwischenwand
Oberseite Reaktorgehäuse
Flüssigkeitsdurchlass
Pfeilrichtung
Zwischenwand
Boden
Flüssigkeitsdurchlass
Fuß
Fuß
Pfeilrichtung
Pfeilrichtung
Endbereich

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Ultraschallreaktor zur Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten, insbesondere wässrigen Suspensionen wie Abwässer, Prozesswässern, Gülle oder Klärschlämmen, mit einem Reaktorgehäuse (1), das mindestens
5 einen Flussigkeitseinlass (2) und mindestens einen Flüssigkeitsauslass (3) aufweist und in Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) unterteilt ist, die jeweils mit mindestens einem Ultraschallschwinger (14) versehen sind, wobei die durch den Flussigkeitseinlass (2) eintretende Flüssigkeit die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) der Reihe nach durchfließt
0 und nach dem letzten Reaktorabschnitt (8, 13) zum Flüssigkeitsauslass (3) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) unterschiedlich große Kavitationsräume (4, 5, 6, 7, 8) aufweisen, in denen der vom jeweiligen Ultraschallschwinger (14) erzeugte Ultraschall wirksam ist.
5 2. Ultraschallreaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsräume (4, 5, 6, 7, 8) mit in Fließrichtung abnehmenden Größen angeordnet sind.
3. Ultraschallreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Kavitationsräumen
!0 (4, 5, 6, 7, 8) 5 Prozent bis 20 Prozent, vorzugsweise etwa 10 Prozent des beschallten Volumens beträgt.
4. Ultraschallreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) im wesentlichen nicht beschallte Reaktionsräume (9, 10, 11 , 12, 13)
!5 aufweisen, die in die Fließrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit nach den Kavitationsräumen (4, 5, 6, 7, 8) angeordnet sind.
5. Ultraschallreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass fünf Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) mit fünf Ultraschallschwingern (14) vorgesehen sind.
6. Ultraschallreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
5 gekennzeichnet, dass die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) im wesentlichen horizontal nebeneinanderliegend, vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind und dass die Ultraschallschwinger (14) von oben in die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) hineinragen.
7. Ultraschallreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
0 gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwinger (14) mit unterschiedlichen Ultraschallfrequenzen betrieben werden.
8. Ultraschallreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse 1 aus einer Wanne, einem Trog oder länglichen Kasten mit im wesentlichen horizontal ausgerichteter
5 Längsachse besteht, der durch Zwischenwände (15, 19) in Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11 ; 7, 12; 8, 13) unterteilt ist, und dass der Boden (20) des Reaktorgehäuses (1 ) von der Flüssigkeitseinlassseite zur Flüssigkeitsauslassseite ansteigend ausgestaltet ist, so dass die beschallten Volumina der einzelnen Kavitationsräume (4, 5, 6, 7, 8) in Fließrichtung
!0 abnehmend angeordnet sind.
9. Ultraschallreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen vertikal ausgerichteten Zwischenwände (15, 19) mit Flüssigkeitsdurchlässen (17, 21) versehen sind, die bei in Fließrichtung aufeinanderfolgenden Zwischenwänden (15, 19) abwechselnd an der
!5 Oberseite oder der Unterseite angeordnet sind, so dass die Flüssigkeit meanderförmig abwechselnd nach oben oder unten schlängelnd von einem Kavitationsraum (4, 5, 6, 7, 8) in einen Reaktionsraum (9, 10, 11 , 12, 13) und weiter in den nächsten Kavitationsraum des nachfolgenden Reaktorabschnittes fließt.
10. Ultraschallreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flüssigkeit in den mit Ultraschall beaufschlagten Kavitationsräumen (4, 5, 6, 7, 8) von oben nach unten bewegt.
11. Ultraschallreaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Flussigkeitseinlass (2) und Flüssigkeitsauslass (3) jeweils im oberen Bereich des Reaktorgehäuses (1) angeordnet sind.
12. Ultraschallreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwinger (14) mittels piezo- keramischer oder magneto-restriktiver Effekte elektrische Energie von bis zu 2 Kilowatt in mechanische Schwingungen mit Frequenzen von 20 Kilohertz bis 10 Megahertz umwandeln.
13. Ultraschallreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifischen Energieeinträge in die beschallte Flüssigkeit größer als 0,1 Kilowattstunden / m3 sind.
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