WO2022218636A1

WO2022218636A1 - Vorrichtung und verfahren zum dispergieren von gasen in flüssigkeiten

Info

Publication number: WO2022218636A1
Application number: PCT/EP2022/056976
Authority: WO
Inventors: Joachim Rohovec; Thomas Berger
Original assignee: Messer Se & Co. Kgaa; Messer Austria Gmbh
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-10-20
Also published as: BR112023021147A2; EP4323094A1; CN117157137A; DE102021001986A1

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dispergieren eines Gases in eine Flüssigkeit umfasst ein Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) und eine in das Flüssigkeitsvolumen unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels (42) eintauchenden Düse (3, 22, 41). Die Düse weist einen konischen Ringspalt (7, 26), an dessen Spitze eine Düsenöffnung (9, 28) vorgesehen ist, und eine tangential in den konischen Ringspalt einmündende Flüssigkeitszuführung (5, 24) auf. Eine Gaszuführung (10, 29, 49) für ein in das Flüssigkeitsvolumen zu dispergierendes Gas, mündet in die Flüssigkeitszuführung, in den Ringspalt oder im Bereich der Düsenöffnung aus. Durch die Düse wird eine starke Drallbewegung in der in das Flüssigkeitsvolumen eingespeisten Flüssigkeit erzeugt, die eine gute Dispergierung des über die Gaszuführung eingeleiteten Gases ermöglicht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Dispergieren von Gasen in Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Dispergieren von Gasen in Flüssigkeiten.

Das Einträgen von Gasen in Flüssigkeiten ist ein wichtiger Bestandteil der Verfahrenstechnik. Im Bereich der Abwasserbehandlung wird zum Beispiel Sauerstoff für die Verbesserung der Klärleistung eingebracht, bei der Neutralisation wird Kohlenstoffdioxid für die Regulierung des pFI-Wertes des Wassers eingesetzt. Dabei ist es, insbesondere energetisch, vorteilhaft, die Gase durch die Erzeugung möglichst kleiner Gasblasen gut verteilt in die zu behandelnde Flüssigkeit einzutragen.

Häufig werden die Gase dabei über poröse Körper, wie beispielsweise Sinter- Keramiken oder -metalle, oder über perforierte Schläuche eingebracht. Perforierte Schläuche sind zwar eine relativ preisgünstige Möglichkeit, Gase in eine Flüssigkeit einzutragen. Die entstehenden Gasblasen sind jedoch in der Regel recht groß und lassen sich nur in geringen Grenzen verändern. Aufgrund der schnellen Flotation größerer Gasblasen und der geringen zur Verfügung stehenden Oberfläche für die Lösung des Gases in der Flüssigkeit (Stoffaustauch) erreichen großen Mengen Gas die Oberfläche und sind somit für den Prozess verloren. Solche Schlauchsysteme eignen sich daher nur für Wasserbecken mit großer Tiefe.

Sintermaterialien eignen sich hinsichtlich der erzielbare Blasengröße etwas besser als perforierte Schläuche. Hier ist aber ein relativ hoher baulicher Aufwand erforderlich. Bei flächigen Eintragssystemen führt zudem eine nicht ganz exakte Ausrichtung zu einem ungleichmäßigem Gasaustritt. Weiterhin besteht in längeren Betriebspausen die Gefahr, dass in der Flüssigkeit enthaltene Feststoffe in die Poren des Materials eindringen und diese verstopfen.

Als Alternative zu den genannten Methoden haben sich Injektoren bewährt, bei denen eine Flüssigkeit durch eine Rohrleitung geführt und dabei mit einem Gas versetzt wird. Das entstehende Gemisch wird anschließend einem Behandlungsbereich, beispielsweise einem Behälter oder einem mit der Flüssigkeit gefüllten Becken, zugeführt. Der Eintrag des Gases erfolgt beispielsweise an einem in der Rohrleitung angeordneten Venturi-System, in dem eine in der Flüssigkeit erzeugte Strömung das Gas selbsttätig ansaugt. Bei der Flüssigkeit in der Rohrleitung handelt es sich beispielsweise um Flüssigkeit aus dem Behandlungsbereich selbst, die mittels einer Pumpe im Kreislauf gefördert wird, oder es sie entstammt einem separaten Behälter oder einer Leitung. Derartige Systeme sind beispielsweise aus den Druckschriften EP 2 327298 A1, EP 0477846 A1, EP 0 322925 A2 oder FR 2825996 A1 bekannt.

Bei Verwendung eines Injektors mit Venturidüse konnte beobachtet werden, dass sich das im Venturi-System gebildete Flüssigkeits-Gas-Gemisch aufgrund des Auftriebs des Gases tendenziell in eine zwei Phasen-Strömung auftrennt. Durch die bei einen Venturi-System typische austrittseitige Querschnittserweiterung wird zudem die Strömungsgeschwindigkeit reduziert. Turbulenzen, welche im engsten Querschnitt zu einer kurzfristig relativ guten Durchmischung gesorgt haben, lösen sich auf und es findet im weiteren Rohrleitungsverlauf eine Entmischung von Flüssigkeit und nicht gelösten Gasanteilen statt, die sich in den oberen Rohrleitungsteilen sammeln und zu größeren Gasblasen koagulieren. Zwar kann versucht werden, mittels Mischrohren das Einträgen bzw. Einlösen des Gases zu fördern, jedoch sind dieser Systeme hinsichtlich ihrer Effizienz noch verbesserungsfähig.

Weiterhin wurde vorgeschlagen, feine Gasblasen, sogenannte „Microbubbles“, mittels einer Drallkammer zu erzeugen. Dabei wird die zu behandelnde Flüssigkeit tangential in einen Zylinder- oder konusförmige Kammer eingebracht, wodurch die darin befindliche Flüssigkeit in Rotation versetzt wird. Das der Flüssigkeit vor oder in der Drallkammer zugeführte Gas konzentriert sich aufgrund der in der Drallkammer wirkenden Zentrifugalkräfte entlang der Achse, während die dichtere Flüssigkeit sich radial außenseitig sammelt. An einer in eine Stirnseite der Drallkammer zentral eingebrachten Bohrung tritt das Flüssigkeits-Gas-Gemisch drallförmig aus. Bei ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Drehzahlen wird dabei das Gas durch Turbulenz und Scherkräfte fein in der Flüssigkeit dispergiert. Systeme dieser Art sind beispielsweise aus der EP 0963784 A1 , der WO 2014 192896 A1 oder der WO 2016083043 A1 bekannt.

Diese Systeme entsprechen einem Hydrozyklon mit einer Auftrennung der einzelnen Phasen nach Dichte: Das Fluid mit der geringsten Dichte rotiert im Zentrum entlang der Achse, während dichtere Bestandteile, wie etwa in der Flüssigkeit enthaltene Feststoffe, in den Außenbereich abgedrängt werden und sich dort aufkonzentrieren. Dies führt im Betrieb mit solchen Flüssigkeiten, die mit Feststoffen beladen sind, zu einer Überfrachtung der Drallkammer und letztlich zur Verstopfung der Austrittsmündung. Erst Recht gilt dies, wenn innerhalb der Drallkammer zusätzliche statische Einrichtungen zur Drallerzeugung vorgesehen sind, wie dies beispielsweise beim Gegenstand der WO 2014 192896 A1 der Fall ist. Somit sind auch diese Systeme nicht für den Einsatz bei Suspensionen, also Flüssigkeiten mit festkörperförmigen Verunreinigungen, geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zum Dispergieren eines Gases in eine Flüssigkeit anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Gelöst ist die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dispergieren eines Gases in eine Flüssigkeit umfasst ein Flüssigkeitsvolumen sowie eine Düse zum Einträgen einer Flüssigkeit in das Flüssigkeitsvolumen. Die Düse weist einen konischen Ringspalt, der zwischen einer konischen Innenfläche eines Düsenmantels und einem Führungskegel angeordnet ist und an seiner Spitze mit einer Düsenöffnung in das Flüssigkeitsvolumen ausmündet, sowie eine tangential in den konischen Ringspalt einmündende Flüssigkeitszuführung auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Gaszuführung für ein in das Flüssigkeitsvolumen zu dispergierendes Gas, die in die Flüssigkeitszuführung und/oder in den Ringspalt und/oder im Bereich der Düsenöffnung, d.h. unmittelbar an der Düsenöffnung selbst oder stromab (in Richtung der austretenden Flüssigkeit gesehen) zur Düsenöffnung im Flüssigkeitsvolumen, ausmündet.

Die Breite des Ringspalts, d.h. der Abstand zwischen der Innenwand des Düsenmantels und der Außenwand des Führungskegels, sollte an keiner Stelle größer sein als der Innendurchmesser der Flüssigkeitszuführung an ihrer Einmündung in den Ringspalt. Der Ringspalt kann einen spitzen oder auch einen stumpfen Öffnungswinkel aufweisen. Beispielsweise beträgt der Öffnungswinkel zwischen 30° und 180°, bevorzugt zwischen 45° und 170°, besonders bevorzugt zwischen 60° und 135°. Der Ringspalt zwingt der tangential eintretenden Flüssigkeit eine spiralförmige Bewegung auf. Der radiale Abstand zwischen der konischen Innenfläche des Düsenmantels und der Außenfläche des Führungskegel ist zwischen der Einmündung der Flüssigkeitszuführung und der Spitze des Führungskegels konstant oder verringert sich stetig in Richtung der Düsenöffnung; eine Aufweitung des Abstandes zwischen den Begrenzungsflächen des Ringspalts zwischen Einmündung der Flüssigkeitszuführung und der Düsenöffnung, beispielsweise unter Ausbildung einer Mischkammer, ist erfindungsgemäß nicht vorgesehen. Daher verkleinert sich das der Flüssigkeit im Ringspalt zur Verfügung stehende Volumen stetig bis zu Düsenöffnung, wodurch sich die axiale Geschwindigkeit, ebenso wie die Rotationsgeschwindigkeit, kontinuierlich erhöht. Insbesondere ist die Rotationsgeschwindigkeit aufgrund der Führung der Flüssigkeit durch einen Ringspalt höher als bei einem ansonsten gleich großen hohlkegligen Düsenkörper. Durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit wird die Flüssigkeit an der Düsenöffnung in das umgebende Flüssigkeitsvolumen als stark verdrallter Flüssigkeitsstrahl eingetragen, längs dessen Achse eine Zone mit stark vermindertem Druck besteht. Das gleichzeitig über die Gaszuführung eingetragene Gas gelangt in den Flüssigkeitsstrahl, wird mit diesem in das umgebende Flüssigkeitsvolumen eingetragen und durchmischt sich erst dort, also vor der Düsenöffnung, intensiv mit der Flüssigkeit unter Ausbildung kleinster Bläschen.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass das Vorhandensein von Mischkammern u. dergl. innerhalb der Düse aufgrund der dort herrschenden Druckverhältnisse tatsächlich eher zu einer Entmischung von Flüssigkeit, Gas und etwaig in der Flüssigkeit vorhandenen Feststoffen führt. Der erfindungsgemäß vorgesehene streng konische Ringspalt mit konstantem oder sich in Richtung auf den Düsenaustritt stetig verringerndem Radialabstand zwischen der Innenfläche des Düsenmantels und dem Führungskegel verhindert dagegen eine Trennung von Flüssigkeit und darin enthaltenen Feststoffen innerhalb der Düse. Das Gemisch aus Flüssigkeit und Gas wird so weit in das Flüssigkeitsvolumen eingetragen.

Für den Eintrag des Gases bestehen drei grundsätzliche Möglichkeiten. Zum Ersten kann das Gas bereits in der Flüssigkeitszuführung, also stromauf zur Düse, in die Flüssigkeit eingespeist werden. In diesem Fall vermindert das eingeleitete Gas die Viskosität der Flüssigkeit, und es kann eine beträchtliche Menge an Gas, im Volumenstromverhältnis von 1 :1 zur Flüssigkeit oder mehr, eingespeist werden, ohne dass es - gegenüber dem Fall ohne Gaseintrag - trotz eines insgesamt erhöhten Volumenstroms zu einer Durchsatzminderung der Flüssigkeit kommt. Zudem fördern die starken Scherkräfte im Ringspalt die Durchmischung von Gas und Flüssigkeit. Nachteilig dabei ist jedoch, dass das Gas mit dem gleichen, dem Eingangsdruck der Flüssigkeit an der Düse entsprechenden Druck wie die Flüssigkeit zugeführt werden muss, da ansonsten das stärker komprimierte Medium in die Zuleitungen des anderen gelangt.

Zum Zweiten kann das Gas über eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen aus einer im Düsenmantel oder dem Führungskonus angeordneten Gaszuleitung in den Ringspalt eingespeist werden. Bei der Gasaustrittsöffnung der Gaszuführung handelt es sich im einfachsten Fall um eine Bohrung; jedoch kann es sich dabei auch um eine Düse oder um einen Körper aus einem porösen Material, beispielsweise aus einem Sinterwerkstoff aus Kunststoff, Keramik oder Metall, handeln, bei dem das Gas durch eine Vielzahl von Austrittsöffnungen in die umgebende Flüssigkeit eingetragen wird, wodurch ein besonders feinperliger Eintrag des Gases erfolgt.

Auch kann der ganze Führungskegel oder Teile davon als poröser Sinterwerkstoffkörper ausgebildet sein, durch den hindurch der Eintrag des Gases erfolgt. Auch bei dieser Variante ist allerdings der Druck des zugeführten Gases auf den Druckwert der Flüssigkeit im Ringspalt begrenzt.

Zum Dritten kann das Gas an einer zentral in der Spitze des Führungskonus oder an wenigstens einer seitlich zum Düsenmantel angeordneten Gasaustrittsöffnung oder Gasaustrittsdüse in Richtung auf den verdrahten Flüssigkeitsstrahl in die Flüssigkeit eingetragen werden. Das zugeführte Gas wird in die Zone reduzierten Drucks im Flüssigkeitsstrahl eingesaugt und zusammen mit der eingetragenen Flüssigkeit weit in das Flüssigkeitsvolumen hinein verteilt. Die hohe Druckdifferenz zwischen dem Druck des zugeführten Gases und dem Druck innerhalb der Zone reduzierten Drucks im Flüssigkeitsstrahl ermöglicht einen hohen Mengendurchsatz. Insbesondere kann in vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung dadurch das Gas auch mit Schallgeschwindigkeit oder Überschallgeschwindigkeit eingetragen werden. Zudem wird ein Sog auf die austretende Flüssigkeit erzeugt, der die Förderung der Flüssigkeit unterstützt. Bei dieser Ausgestaltung findet innerhalb der Düse keine Vermischung von Gas und Flüssigkeit statt, und beide Medien können mit unterschiedlichen Drücken zugeführt werden; beispielsweise wird das Gas mit einem Druck von 10-20 bar und die Flüssigkeit mit einem Druck von 2-3 bar zugeführt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung können dabei auch zwei oder mehr Gasaustragsdüsen seitlich zur Düsenöffnung und bevorzugt symmetrisch zu dieser angeordnet sein. Die Gasaustragsdüse oder die Gasaustragsdüsen kann/können beispielsweise achsparallel zum konischen Ringspalt ausgerichtet sein, sodass der oder die aus der oder den Gasaustragsdüse(n) austretenden Gasstrahl(en) parallel zum verdrahten Flüssigkeitsstrahl in das Flüssigkeitsvolumen eingetragen wird / werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht jedoch vor, dass die wenigstens eine Gaszuführung an einer Gasaustragsdüse oder Gasaus- tragsöffnung endet, die winklig, bevorzugt mit einem spitzen Winkel, an der Düsen öffnung angestellt ist, sodass der aus der Gaszuführung austretende Gasstrahl in Richtung auf den verdrahten Flüssigkeitsstrahl ausgetragen wird. Dadurch erfolgt im Flüssigkeitsstrahl eine besonders intensive Durchmischung von Gas und Flüssigkeit.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im Ringspalt eine an der Einmündung der Flüssigkeitszuführung beginnende, in Richtung der Kegelspitze wendelförmig aufsteigende Rampe vorgesehen ist. Die Rampe ist so ausgebildet, dass sie die durch die tangentiale Flüssigkeitszuführung eintretende Flüssigkeit nach einer Umdrehung im Ringspalt um mindestens den Durchmesser der Flüssigkeitszuführung in Richtung auf die Düsenöffnung leitet. Dadurch trifft die Flüssigkeit nach einem vollzogenen Umlauf im Ringspalt nicht, oder nur im geringen Maß, auf den Strom der soeben aus der Flüssigkeitszuführung eintretenden Flüssigkeit, und turbulente Strömungen, die zu einer Verminderung der Rotationsgeschwindigkeit führend könnten, werden wirkungsvoll vermieden.

Bevorzugt ist als Flüssigkeitsvolumen ein mit Flüssigkeit gefüllter, bevorzugt geschlossener Behälter oder eine flüssigkeitsführende Leitung vorgesehen; es kann sich dabei jedoch um einen offenen Behälter, ein Becken oder um ein Gewässer, beispielsweise um einen Teich oder um eine Fischfarm handeln. Im Falle einer flüssigkeitsführenden Leitung, etwa einer von der Flüssigkeit durchströmten Rohrleitung, verhindert die stark verdrahte Strömung, dass sich rasch nach dem zunächst erfolgten Dispergieren eines Gases erneut eine Strömung aus zwei getrennten Phasen ausbildet.

Ist das Flüssigkeitsvolumen innerhalb eines Behälters angeordnet, empfiehlt es sich insbesondere bei strömungslosen und/oder großvolumigen Behältern, beispielsweise Becken oder Teiche, zusätzliche Mittel zum Erzeugen einer Strömung in der Flüssigkeit vorzusehen, um die Verteilung der Gasbläschen zu fördern. Bei diesen zusätzlichen Mitteln handelt es sich beispielsweise um eine Rühreinrichtung oder eine Umwälzpumpe. Weiterhin kann die Düse innerhalb eines im Flüssigkeitsvolumen angeordneten oder aus diesem gespeisten Mischrohrs oder in einer mit dem Flüssigkeitsvolumen strömungsverbundenen Kreislaufleitung angeordnet sein.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist der Führungskegel der Düse axial verstellbar ausgebildet, um unterschiedlichen Anforderungen an die Menge der durch die Düse geführten Flüssigkeit Rechnung tragen zu können. Weiterhin kann an der Düsenmündung, stromab zur Spitze des Führungskegels, ein zylindrischer Vorderabschnitt vorgesehen sein, der zu einer Fokussierung des verdrahten Flüssigkeitsstrahl führt, ohne jedoch die axiale oder radiale Geschwindigkeit der aus der Düsenöffnung austretenden Flüssigkeit zu reduzieren.

Bevorzugt ist die Düsenöffnung als Flachstrahldüse ausgebildet, besitzt also in horizontaler Hinsicht eine größere Weite als in vertikaler. Beispielsweise besitzt die Düsenöffnung eine ovale Form, mit größerer Breite als Höhe. Die Agglomeration von Gasblasen wird so reduziert, da in vertikaler Hinsicht weniger Gasblasen vorliegen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Kreislaufführung der Flüssigkeit vor. Dazu ist die Düse an eine Rückleitung zur Kreislaufführung der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvolumen angeschlossen. In der Rückleitung ist bevorzugt eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine elektrische Pumpe angeordnet, mittels der kontinuierlich Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvolumen entnommen und in die Düse eingeleitet wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dispergieren eines Gases in eine Flüssigkeit wird Flüssigkeit einer mit einem konischen Ringspalt ausgerüsteten ,Düse der oben beschriebenen Art zugeführt, wobei die Flüssigkeit über eine tangential in den Ringspalt einmündende Flüssigkeitszuführung tangential eingespeist wird. Im Ringspalt wird die Flüssigkeit in eine spiralförmig sich verengende Bahn gezwungen und tritt an einer an der Spitze des konischen Ringspalts angeordneten Düsenöffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eines Flüssigkeitsvolumens in Form eines verdrahten Flüssigkeitsstrahls aus. Das zu dispergierendes Gas wird in die Flüssigkeitszuführung und/oder in die Düse und/oder in den verdrahten Flüssigkeitsstrahl vor der Düsenöffnung eingetragen.

Bevorzugt wird das zu dispergierende Gas zumindest teilweise in Gestalt eines auf den verdrahten Strahl der an der Düsenöffnung in das Flüssigkeitsvolumen austretenden Flüssigkeit gerichteten Gasstrahl eingetragen. Beispielsweise erfolgt der Eintrag des Gases dabei entweder zentral in den verdrahten Flüssigkeitsstrahl hinein und/oder über seitlich an der Düse angeordnete, auf den verdrahten Strahl gerichtete Gasaustragsdüsen.

Bei der durch die Düse geführten Flüssigkeit kann es sich um Flüssigkeit handeln, die aus einem Reservoir, einem Tank oder einer Leitung in das Flüssigkeitsvolumen eingetragen wird, oder um Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvolumen selbst, das im Kreislauf geführt und mittels einer Pumpe oder einer vergleichbaren Fördereinrichtung der Düse zugeführt wird.

Um das Gas möglichst fein in der Flüssigkeit zu dispergieren eignet sich insbesondere ein Mengenverhältnis aus durch die Düse geführter Flüssigkeit und zu dispergierendem Gas von zwischen 5:1 bis 1:2.

Eine weitere Verbesserung der Verteilung des Gases kann dadurch erreicht werden, dass das Gas vor der Zuführung an die Flüssigkeit ionisiert wird, da hierdurch die Gasblasen stabilisiert und eine raschen Agglomeration vermieden wird.

Bei der Flüssigkeit handelt es sich beispielsweise um Wasser oder eine wässerige Lösung oder wässerige Suspension, insbesondere um Abwasser oder Kühlwasser. Beim eingetragenen Gas handelt es sich beispielsweise um Luft, reinen Sauerstoff oder um Kohlendioxid.

In der Regel wird das Gas im gasförmigen Zustand zugeführt. Um insbesondere zusätzlich zum Dispergieren des Gases einen Kühleffekt im Flüssigkeitsvolumen zu bewirken sieht eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch vor, das zu dispergierende Gas im kälteverflüssigten oder druckverflüssigten Zustand zuzuführen. Hierbei empfiehlt sich eine Bauform der erfindungsgemäßen Düse, bei der der Eintrag des Gases über eine oder mehrere, an der Spitze des Führungskegels und/oder seitlich an der Düsenöffnung angeordnete Gasaustrittsöffnungen in Richtung des verdrahten Flüssigkeitsstrahls im Flüssigkeitsvolumen erfolgt. Dies ermöglicht nicht nur den Eintrag des Gases mit einem vom Druck der Flüssigkeit unabhängigen Druck, sondern durch die hohe Geschwindigkeit des austretenden verflüssigten Gases und die starke Bewegung der umgebenden Flüssigkeit wird zudem zum einen eine intensive Durchmischung gewährleistet und zum anderen ein Vereisen der Gasaustrittsöffnung durch festfrierende Flüssigkeit verhindert. Beispielsweise kann auf diese Weise Kohlendioxid im flüssigen Zustand, beispielsweise mit einem Druck von 6 bis 10 bar, in ein aus Wasser bestehenden Flüssigkeitsvolumen eingetragen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Flüssigkeitsvolumen Blasengrößen des zu dispergierenden Gases im Mikrometer-Bereich, also mit einer Größe von 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer, bevorzugt 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer (“Microbubbles“) oder darunter, also beispielsweise zwischen 0,1 Mikrometer und 1 Mikrometer („Nanobubbles“) herstellbar, die aufgrund ihres geringen Auftriebs breit im Flüssigkeitsvolumen verteilt werden können. Insbesondere bei hohen Flüssigkeitsanteilen (Volumenstromverhältnis von Flüssigkeit zu Gas von 5:1 oder darüber) können sehr kleinvolumige Gasblasen erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist für verschiedene Anwendungen einsetzbar, insbesondere im Bereich der Abwasserbehandlung. Ein bevorzugter Einsatz ist das Einträgen von Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft oder von Sauerstoff (mit einer Reinheit von über 95 Vol.-%) in Abwasser zur Verbesserung der Klärleistung oder das Einträgen von Kohlendioxid zur pH-Regulierung von Abwässern.

Anhand der Zeichnungen sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1a: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform im

Längsschnitt,

Fig. 1b: Die Vorrichtung aus Fig. 1 a im Querschnitt längs einer Schnittlinie B-B in Fig. 1a,

Fig. 2a: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt.

Fig. 2b: Die Vorrichtung aus Fig. 2a im Querschnitt längs einer Schnittlinie B-B in Fig. 2a,

Fig. 2c: Die Vorrichtung aus Fig. 2a im Querschnitt längs einer Schnittlinie C-C in Fig. 2a, Fig. 3: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung einer Flüssigkeit in einem Behälter.

Die in den Fig. 1a und Fig. 1b gezeigte Vorrichtung 1 umfasst eine innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens 2 aufgenommene Düse 3. Die Düse 3 umfasst einen Düsenmantel 4 mit einer konischen Innenfläche, in den tangential eine Flüssigkeitszuführung 5 einmündet. Innerhalb des Düsenmantels 4 ist ein gleichfalls konisch geformter Führungskegel 6 derart angeordnet, dass zwischen der Innenwand des Düsenmantels 4 und der Außenwand des Führungskegels 6 ein konischer Ringspalt 7 offensteht und bevorzugt derart, dass die Kegelspitze 8 des Führungskegels 6 im Wesentlichen mit einer Düsenöffnung 9 der Düse 3 fluchtet. Die Düsenöffnung 9 ist bevorzugt so bemessen, dass ihr Strömungsquerschnitt im Wesentlichen gleich oder geringer ist als der Strömungsquerschnitt der Flüssigkeitszuführung 5. Die Innenfläche des konischen Düsenmantels 4 und die Außenfläche des Führungskegels 6 können dabei einen gleichen Öffnungswinkel aufweisen, es ist jedoch auch vorstellbar, dass der Öffnungswinkel der Außenfläche des Führungskonus 6 spitzer als der Öffnungswinkel der Innenfläche des Düsenmantels 4 ist, sich der Abstand von Düsenmantel 4 und Führungskonus 6 in Richtung zur Düsenöffnung 9 hin reduziert, wie in fig. 1a gezeigt.

Die Düsenöffnung 9 kann im Übrigen kreisförmigen Querschnitt aufweisen oder, wie unten näher erläutert, einen horizontal verbreiteten Querschnitt. Der Führungskegel 6 kann innerhalb des Düsenmantels 4 fest montiert oder aber - hier nicht gezeigt - axial beweglich aufgenommen sein.

Längs einer zentralen Achse des Führungskegels 6 verläuft eine Gaszuführung 10, die an eine hier nicht gezeigte Gasquelle, beispielsweise eine Druckgasflasche oder ein Drucktank, angeschlossen ist. Die Gaszuführung 10 mündet mit einer Gasaustrittsöffnung 11, die auch als Düse ausgebildet sein kann, an der Kegelspitze 8 des Führungskegels 6 in die Düsenöffnung 9 aus.

Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird eine zu behandelnde Flüssigkeit mit einem Druck von beispielsweise 2-3 bar über die Flüssigkeitszuleitung 5 in Richtung des Pfeils 12 in den Ringspalt 7 eingeleitet. Im Ringspalt 7 wird die Flüssigkeit in eine schnelle Rotationsbewegung versetzt, deren Winkelgeschwindigkeit aufgrund des sich in Fließrichtung verringernden Radius des Ringspalts 7 bis zur Düsenöffnung 9 zunimmt. Aus dem gleichen Grund nimmt auch die in Richtung der Düsenöffnung 9 gerichtete lineare Geschwindigkeitskomponente zu. Die Flüssigkeit verlässt die Düse 3 an der Düsenöffnung 9 und wird im Flüssigkeitsvolumen 2 als stark verdrallter Strahl 13 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils 14 eingetragen. Aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit entsteht längs einer zentralen Achse 15 des Strahls 13 eine Zone stark verminderten Drucks.

Über die Gaszuführung 10 wird ein im Flüssigkeitsvolumen 2 zu dispergierendes Gas in Richtung des Pfeils 16 mit einem hohen Druck von beispielsweise 10 bar bis 20 bar eingeleitet. Das Gas tritt mit hoher Geschwindigkeit aus der Gasaustrittsöffnung 11 aus und gelangt von dort in das Innere des verdrahten Flüssigkeitsstrahls 13. Zusammen mit diesem wird das Gas tief in das Flüssigkeitsvolumen 2 eingetragen und allmählich aufgrund der innerhalb des verdrahten Strahls 13 wirkenden Kräfte in feine Blasen von beispielsweise wenigen Mikrometern Durchmesser zerteilt und fein im Flüssigkeitsvolumen 2 verteilt (dispergiert). Ein optional an der Düsenöffnung 9 vor der Kegelspitze 8 angeordneter, zylindrischer Vorderabschnitt 17 führt zu einer verstärkten Fokussierung des Flüssigkeitsstrahls 13.

Die in den Fig. 2a 2b und 2c gezeigte Vorrichtung 20 umfasst gleichfalls eine innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens 21 aufgenommene Düse 22. Die Düse 22 weist einen Düsenmantel 23 mit konischer Innenfläche auf, in den tangential eine Flüssigkeitszuführung 24 einmündet. Innerhalb des Düsenmantels 23 ist ein gleichfalls konisch geformter Führungskegel 25 derart angeordnet, dass zwischen der Innenwand des Düsenmantels 23 und der Außenwand des Führungskegels 25 ein konischer Ringspalt 26 offensteht und derart, dass die Kegelspitze 27 des Führungskegels 25 im Wesentlichen mit einer Düsenöffnung 28 der Düse 22 fluchtet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Öffnungswinkel von Innenfläche des Düsenmantels 23 und Außenfläche des Führungskegels 25 gleich.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2a-2c weist die Düsenöffnung 28 einen horizontal verbreiterten Querschnitt auf, beispielsweise den in Fig. 2c gezeigten ovalen Querschnitt, bei dem die horizontale Breite a der Düsenöffnung 28 größer ist als die vertikale Höhe b.

Das im Flüssigkeitsvolumen 21 zu dispergierende Gas wird bei der Vorrichtung 20 über eine Gaszuführung 29 eingeleitet, die - wie hier gezeigt - innerhalb des Düsenmantels 23 oder aber außerhalb des Düsenmantels 23 angeordnet ist und an einer Gasaustrittsöffnung 30 seitlich zur Düsenöffnung 28, jedoch in Richtung auf eine zentrale Achse 31 der Düse 22 geneigt, austritt.

Im Betrieb der Vorrichtung 20 wird eine zu behandelnde Flüssigkeit mit einem Druck von beispielsweise 2 bar bis 3 bar über die Flüssigkeitszuleitung 24 in Richtung des Pfeils 32 in den Ringspalt 26 eingeleitet. Im Ringspalt 26 wird die Flüssigkeit in eine schnelle Rotationsbewegung versetzt, deren Winkelgeschwindigkeit aufgrund des sich in Fließrichtung verringernden Radius des Ringspalts 26 bis zur Düsenöffnung 28 zunimmt. Aus dem gleichen Grund nimmt auch die in Richtung der Düsenöffnung 28 gerichtete lineare Geschwindigkeitskomponente zu. Die Flüssigkeit verlässt die Düse 22 an der Düsenöffnung 28. Aufgrund der horizontal verbreiterten Düsenöffnung 28 wird innerhalb des Flüssigkeitsvolumens 21 ein flächiges Strahlbild 33 erzeugt. Beispielsweile formen sich in der in das Flüssigkeitsvolumen 21 eintretenden Flüssigkeit zwei gleichläufig verdrahte Primärstrahlen, zwischen denen sich ein gegenläufiger Sekundärstrahl ausbildet, wobei sich in jeder der Strahlen aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit eine Zone stark verminderten Drucks ausbildet.

Über die Gaszuführung 29 wird ein im Flüssigkeitsvolumen 21 zu dispergierendes Gas in Richtung des Pfeils 34 mit einem hohen Druck von beispielsweise 10 bar bis 20 bar eingeleitet. Das Gas tritt mit hoher Geschwindigkeit aus der Gasaustrittsöffnung 30 aus und gelangt von dort in das Innere der verdrahten Flüssigkeitsstrahlen im Strahlbild 33. Dabei wird das Gas tief in das Flüssigkeitsvolumen 21 eingetragen und allmählich aufgrund der innerhalb der verdrahten Strahlen wirkenden Kräfte in feine Blasen von beispielsweise wenigen Mikrometern Durchmesser zerteilt und fein im Flüssigkeitsvolumen 21 dispergiert. Um eine möglichst effiziente Rotationsbeschleunigung der in die Düse 20 eingetragenen Flüssigkeit zu gewährleisten, ist im Ringspalt 26 eine Rampe 35 vorgesehen. Aufgrund der Rampe 35 beschreibt die Grundfläche des Ringspalts 26 keinen ebenen Kreisring, sondern eine Windung einer in Richtung auf die Düsenöffnung 28 aufsteigenden Schraubenfläche, die an ihrem Rampenende 36 um eine dem Durchmesser der Flüssigkeitszuleitung 24 entsprechende Strecke weiter in Richtung der Düsenöffnung 28 vorliegt, als am Eintrittspunkt 37 der Flüssigkeitszuleitung 24 in den Ringspalt 26. Auf diese Weise trifft die Flüssigkeit nach Durchlaufen der Rampe 35 nicht seitlich auf den Strom der über die Flüssigkeitszuleitung 24 eingeleiteten Flüssigkeit, sondern versetzt zu dieser, wodurch die Beschleunigung der Flüssigkeit einschränkende Turbulenzen vermieden werden.

Im Übrigen muss eine Düse 22 mit spitzwinklig angestellter Gaszuführung 29 nicht zwingend eine horizontal verbreiterte Düsenöffnung 28 aufweisen, selbstverständlich kann die Düsenöffnung 28 auch einen kreisförmigen Querschnitt, oder die Düsenöffnung 9 der Düse 3 einen horizontal verbreiterten Querschnitt aufweisen. Ebenso kann eine Rampe 35 auch in einer der Düse 1 entsprechenden Anordnung vorgesehen sein.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei ein Flüssigkeitsvolumen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kontinuierlich umgewälzt und dabei mit Gas versetzt wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung 40 umfasst eine erfindungsgemäße Düse 41 , bei der es sich beispielsweise um eine Düse 3, 22 der vorbeschriebenen Art handelt. Die Düse 41 ist unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels 42 in einem Flüssigkeitsvolumen 43 aufgenommen, das in einem Behälter 44 vorliegt. Beispielsweise handelt es sich beim Behälter 44 um einen weitgehend geschlossenen Behälter, ein Klärbecken zum Aufnehmen von Abwasser oder um eine Fischfarm.

Die Vorrichtung 40 weist eine Flüssigkeitszuführung 45 auf, die mit einer in das Flüssigkeitsvolumen 43 eintauchenden Rückleitung 46 strömungsverbunden ist. In der Rückleitung 46 ist eine Fördereinrichtung 47, beispielsweise eine Pumpe, angeordnet. Mittels der Fördereinrichtung wird kontinuierlich Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvolumen 43 entnommen und in die Düse 41 eingespeist.

Das in das Flüssigkeitsvolumen 43 zu dispergierende Gas wird aus einer Gasquelle 48, beispielsweise einem Druckbehälter oder einer Druckleitung, entnommen, über eine Gaszuführung 29 der Düse 41 zugeführt und in der zuvor beschriebenen Weise in der Flüssigkeit dispergiert. Beim Gas handelt es sich beispielsweise um Sauerstoff oder um Kohlendioxid. Beispielsweise wird über die Düse 41 Gas und Flüssigkeit im Volumenstromverhältnis Gas zu Flüssigkeit wie 2:1 eingetragen. Um insbesondere bei großen Behältern die Durchmischung zu verbessern, können im Behälter hier nicht gezeigte Mittel zur Erzeugung einer zusätzlichen Strömung 50 vorgesehen sein, wie beispielsweise eine Umwälzpumpe.

Aufgrund des speziellen Düsenaufbaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 40 auch dann zum Disperieren des Gases geeignet, wenn die über die Rückleitung 46 in die Düse 41 eingespeiste Flüssigkeit stark mit festen Bestandteilen durchsetzt ist. Da die Düse 41 weder Toträume, wie beispielsweise Mischkammern, noch statische Mischelemente enthält, lagern sich derartige Bestandteile nicht innerhalb der Düse 41 an und können dementsprechend nicht die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung 40 beeinträchtigen. Vielmehr bewirkt die konische Ausbildung des Ringspalts 7, 26 aufgrund der Querschnittsverengung eine hohe Geschwindigkeit der eingetragenen Flüssigkeit auch in axialer Richtung, die den Austrag und die Verteilung der Feststoffe (bzw. allgemeiner: von Substanzen mit höherer Dichte als die Flüssigkeit selbst) im Flüssigkeitsvolumen begünstigt.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung 26 Ringspalt

2 Flüssigkeitsvolumen 27 Kegelspitze

3 Düse 28 Düsenöffnung

4 Düsenmantel 29 Gaszuführung

5 Flüssigkeitszuführung 30 Gasaustrittsöffnung

6 Führungskegel 31 Achse

7 Ringspalt 32 Pfeil

8 Kegelspitze 33 Strahlbild

9 Düsenöffnung 34 Pfeil

10 Gaszuführung 35 Rampe

11 Gasaustrittsöffnung 36 Rampenende

12 Pfeil 37 Eintrittspunkt

13 Strahl 38

14 Pfeil 39

15 Achse 40 Vorrichtung

16 Pfeil 41 Düse

17 Zylindrischer Vorderabschnitt 42 Flüssigkeitsspiegel

18 - 43 Flüssigkeitsvolumen

19 - 44 Behälter

20 Vorrichtung 45 Flüssigkeitszuführung

21 Flüssigkeitsvolumen 46 Rückleitung

22 Düse 47 Fördereinrichtung

23 Düsenmantel 48 Gasquelle

24 Flüssigkeitszuführung 49 Gaszuführung

25 Führungskegel 50 Strömung

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Dispergieren eines Gases in eine Flüssigkeit, mit einem Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) und einer Düse (3, 22, 41) zum Zuführen einer Flüssigkeit in das Flüssigkeitsvolumen (2, 21 , 43), die einen zwischen einer konischen Innenfläche eines Düsenmantels (4, 23) und einem Führungskegel (6, 25) angeordneten, an seiner Spitze an einer Düsenöffnung (9, 28) in das Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels (42) ausmündenden konischen Ringspalt (7, 26) und eine tangential in den konischen Ringspalt (7, 26) einmündende Flüssigkeitszuführung (5, 24) aufweist, sowie mit wenigstens einer Gaszuführung (10, 29, 49) für ein in das Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) zu dispergierendes Gas, die in die Flüssigkeitszuführung (5, 24) und/oder den Ringspalt (7, 26) und/oder im Bereich der Düsenöffnung (9, 28) ausmündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gaszuführung (10, 29, 49) durch den Führungskegel (6, 25) oder den Düsenmantel (4, 23) geführt ist und an einer Gasaustrittsöffnung (11, 30) in den Ringspalt (7, 26) ausmündet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gaszuführung (10, 29, 49) durch den Führungskegel (6, 25) geführt ist und an einer in der Spitze (8, 27) des Führungskegels (6, 25) angeordneten Gasaustrittsöffnung (11, 30) in die Düsenöffnung (9, 28) hinein ausmündet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gaszuführung (10, 29, 49) im Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) seitlich zur Düsenöffnung (9, 28) und winklig zu einer zentralen Achse (31) des konischen Ringspalts (7, 26) ausmündet.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringspalt (7, 26) eine an der Einmündung der Flüssigkeitszuführung (5, 24) beginnende, in Richtung der Düsenöffnung (9, 28) wendelförmig aufsteigende Rampe (35) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) ein mit Flüssigkeit gefüllter Behälter (44) oder eine flüssigkeitsführende Leitung vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) ein mit Flüssigkeit gefüllter Behälter (44) vorgesehen ist und im Behälter (44) zusätzliche Mittel zum Erzeugen einer Strömung (50) in der Flüssigkeit angeordnet sein.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskegel (6, 25) der Düse (3, 22, 41) axial gegenüber der konischen Innenfläche des Düsenmantels (4, 23) verstellbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (9, 28) als Flachstrahldüse ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3, 22, 41) an eine Rückleitung (46) zur Kreislaufführung der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) angeschlossen ist.

11. Verfahren zum Dispergieren eines Gases in eine Flüssigkeit, bei dem a. eine Flüssigkeit einer Düse (3, 22, 41 ) zugeführt wird, die einen konischen Ringspalt (7, 26) aufweist, wobei die Flüssigkeit über eine tangential in den Ringspalt (7, 26) einmündende Flüssigkeitszuführung (5, 24) in den Ringspalt (7, 26) eingespeist wird, b. die Flüssigkeit im Ringspalt (7, 26) in eine spiralförmig sich verengende Bahn gezwungen und an einer an der Spitze des konischen Ringspalts (7, 26) angeordneten Düsenöffnung (9, 28) unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels (42) eines Flüssigkeitsvolumens (2, 21, 43) in Form eines verdrahten Flüssigkeitsstrahls (13) in das Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) ausgestoßen wird, c. ein zu dispergierendes Gas in die Flüssigkeitszuführung (5, 24) und/oder in die Düse (3, 22, 41) und/oder in den verdrahten Flüssigkeitsstrahl (13) vor der Düsenöffnung (9, 28) eingetragen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das zu dispergierende Gas zumindest teilweise in einem auf den verdrahten Strahl (13) der an der Düsenöffnung (9, 28) in das Flüssigkeitsvolumen (2, 21, 43) austretenden Flüssigkeit gerichteten Gasstrahl eingetragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenstromverhältnis aus durch die Düse (3, 22, 41) geführter Flüssigkeit und dem zugeführten, zu dispergierenden Gas zwischen 5:1 bis 1:2 beträgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas vor der Zuführung an die Flüssigkeit ionisiert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im verflüssigten Zustand in den verdrahten Flüssigkeitsstrahl (13) vor der Düsenöffnung (9, 28) zugeführt wird.