CH406151A

CH406151A - Einrichtung zur Gaseintragung in Flüssigkeiten

Info

Publication number: CH406151A
Application number: CH958563A
Authority: CH
Inventors: Weinrich Heinrich Ing Dr
Original assignee: Weinrich Heinrich Ing Dr
Priority date: 1962-08-07
Filing date: 1963-07-31
Publication date: 1966-01-31
Also published as: DE1230399B; BE635852A; FI41537B; AT243766B; NL139467B; NL296294A; DE230399C

Description

Einrichtung zur Gaseintragung in Flüssigkeiten
Viele verfahrenstechnische Prozesse erfordern die Mischung von Gasen und Flüssigkeiten. Das Gas wird also entweder in die Flüssigkeit eingeblasen oder die Flüssigkeitsoberfläche mittels geeigneter Einrichtungen oder Verfahren so aufgerissen, dass eine Vermischung zwischen Flüssigkeitströpfchen und Gas eintritt. Zum Einblasen des Gases ist eine relativ grosse Verdichterleistung erforderlich. Im zweiten Fall ist die Gaseintragung gering. Zudem erfordert die Aufwirbelung der Flüssigkeit Energie.

Zur Verringerung des Energieaufwandes und Eintragung des Gases in feinverteilter Form sind Einrichtungen bekannt geworden, bei denen Strömungskörper in der Flüssigkeit rotieren. Diese sind so geformt, dass sich an bestimmten Stellen Unterdrücke bilden, und gerade hier wird dann das Gas durch Bohrungen oder Schlitze nachgesaugt, wobei die Gaszufuhr in die rotierenden Strömungskörper durch die hohle Antriebswelle hindurch erfolgt.

Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art bewegen sich die Strömungskörper auf Kreis- oder Zylinderflächen, je nachdem, ob sie auf einer Scheibe oder einem Zylinder angeordnet sind. Im ersten Fall ändert sich die Geschwindigkeit und damit der erzielbare Unterdruck mit dem Abstand von der Drehachse. Hierdurch entsteht der Nachteil, dass nicht in allen Punkten der Kreisfläche die gleiche Luftmenge zugeführt wird, oder es muss, wenn man den Unterdruck auch an den inneren Radien gross genug macht, die Luftzufuhr an den äusseren Radien gedrosselt werden. Letztere Massnahme bedeutet jedoch einen Verlust, da der vorhandene Unterdruck nicht voll zur Gaszuführung ausgenutzt wird und andererseits auch die Übergeschwindigkeit der Strömungskörper einen zusätzlichen Strömungswiderstand verursacht.

Bei den auf Zylinderflächen sich bewegenden Strömungskörpern bleiben zwar die Geschwindigkeit und damit der erzielte Unterdruck konstant, in allen zu der Flüssigkeitsoberfläche nicht äquidistanten Punkten der Zylinderfläche wird jedoch die Gaseintragung verschieden sein, gleichgültig, ob die Drehachse horizontal oder vertikal liegt. Es besteht also zum Teil Gasüberschuss und zum Teil Gasmangel.

Eine intensive Umwälzung kann zwar eine Vergleichmässigung des Gasgehaltes bewirken. Es kann jedoch nicht vermieden werden, dass der Gasüberschuss bereits wieder nach der Flüssigkeitsoberfläche hin abgeschieden wurde, ehe eine Vermischung mit lösungsfähigen Flüssigkeitsteilchlen stattfand.

Die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Einrichtungen werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass die Elemente der den Unterdruck erzeugenden Strömungskörper eine mit zunehmender Eintauchtiefe ansteigende Geschwindigkeit haben. Hierdurch soll erreicht werden, dass an allen Öffnungen in den Strömungskörpern, durch welche Gas zugeführt wird, die gleiche Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Strömungskörpers und der Flüssigkeit herrscht. Dadurch kann nicht nur eine gleichmässige Gasdosierung ermöglicht werden, sondern es kann auch das Minimum an Energieaufwand für die Gaseintragung erzielt werden. Das Gas kann entweder durch den Unterdruck an den Strömungskörpern selbst angesaugt oder durch einen Zusatzdruck eingeblasen werden.

Im ersten Fall braucht überhaupt keine Verdichtungsleistung für das Gas, im zweiten Fall nur eine relativ geringe aufgewandt zu werden.

Bewegen sich die Strömungskörper um eine vertikale Drehachse, so muss, um der Forderung der Steigerung der Geschwindigkeit bei zunehmender Ein tauchtiefe zu genügen, der Radius, auf dem sich ein Element des Strömungskörper befindet, mit zunehmender Flüssigkeitstiefe grösser werden. Da die zur Erzeugung eines bestimmten Unterdruckes erforderliche Geschwindigkeit der Wurzel aus der Flüssigkeitstiefe proportional ist, sollten sich die Elemente der Strömungskörper vorzugsweise auf einem nach unten offenen Paraboloid bewegen. Letzteres kann angenähert werden durch eine oder mehrere Kegelflächen sowie durch Kugelflächen, deren Erzeugende ein oder mehrere Kreisbögen sind.

Die Strömungskörper können nicht nur die Gaseintragung erleichtern bzw. ermöglichen, sondern auch für eine Umwälzung der Flüssigkeit sorgen. Zu diesem Zweck können Strömungskörper mit symmetrisch profiliertem Querschnitt einen gewissen Anstellwinkel zur Umfangsrichtung bekommen bzw. kann ihre Profilskelettlinie zusätzlich gewölbt sein.

Durch die letztbeschriebenen Massnahmen wird zweckmässigerweise vorwiegend eine Umwälzgeschwindigkeit parallel zur Drehachse erzeugt. Um jedoch auch einen Flüssigkeitstransport quer zur Drehachse zu bekommen, können die Anstellwinkel der Strömungskörper zur Umfangsrichtung während jeder Umdrehung zwischen zwei Extremwerten geändert werden. Die dadurch entstehende Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Drehachse hat die gleiche Richtung wie die Verbindungslinie, welche man zwischen den peripheren Punkten der beiden extremen Anstellwinkel ziehen kann.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt:
Abb. 1-3 Querschnitte durch verschiedene Strömungskörper,
Abb. 4 im Aufriss und
Abb. 5 im Grundriss die Gesamtanordnung mehrerer Strömungskörper,
Abb. 6-8 Seitenansichten, teilweise im Schnitt, weiterer Einbaumöglichkeiten von Strömungskörpern und festen Führungskörpern in Flüssigkeitsbehältern,
Abb. 9 im Aufriss und
Abb. 10 im Grundriss eine Anordnung zur Erzeugung einer Strömung senkrecht zur Drehachse der Strömungskörper.

In Abb. 1 ist eine Ausführungsform der Strömungskörper im Querschnitt dargestellt. Das Profil ist symmetrisch zur Skelettlinie S. Die Stirnseite 1 ist so abgerundet, dass sich an der Stelle g, rösster Dicke die Unterdruckspitze einstellt. Hier befinden sich auch die Bohrungen bzw. Schlitze 2 für die Gaszufuhr. Das Gas wird durch den hohlen Holm 3 über die ganze Länge des Strömungskörpers gleichmässig verteilt.

Gemäss Abb. 2 kann man die Profildicke unmittelbar nach Erreichen des grössten Wertes auch sprunghaft verkleinern. Man erreicht dies dadurch, dass man in einem geringen Abstand vor dem mit Bohrungen bzw. Schlitzen versehenen Holm des Strömungskörpers einen Schild 4 anordnet. An dessen Kanten 5 bzw. in dem Raum zwischen diesen und dem Holm herrscht der grösste Unterdruck gegen über dem Druck in der ruhenden Flüssigkeit, so dass an dieser Stelle das Gas zugeführt wird.

Der Strömungskörper gemäss Abb. 3 weist eine unsymmetrische Form auf. Mit A ist die Anströmrichtung, mit a der Anstellwinkel bezeichnet.

In Abb. 4 ist die Gesamtanordnung mehrerer Strömungskörper auf einer gemeinsamen, rotierenden, vertikalen Welle im Aufriss und in Abb. 5 im Grundriss dargestellt. 6 ist das Becken oder der Kanal, der mit der zu begasenden Flüssigkeit gefüllt ist. An den Trägern 7 ist die Lagerung 8 der Welle 9 befestigt, die durch einen Getriebemotor 10 angetrieben wird. Mit der Welle sind Traversen oder eine Scheibe 11 gekuppelt, welche die Strömungskörper
12 tragen. Zur Versteifung können deren untere Enden an einem Ring 13 befestigt sein.

Die theoretische Mittellinie eines jeden Strö mungskörpers - unter der Voraussetzung, dass in allen Elementen der Strömungskörper der erzielte Unterdruck gleich der über dem Element stehenden Flüssigkeitssäule ist - würde eine in der Wasseroberfläche beginnende, nach unten offene Parabel sein. Um ein gewisses Gefälle für die Gaszufuhr zu bekommen, wird man die Strömungskörper auch in der Wasseroberfläche bereits mit einer bestimmten Geschwindigkeit betreiben. Es findet also eine Verschiebung des Parabelanfanges nach oben statt. Da unter diesen Umständen der in die Flüssigkeit eintauchende Teil der Strömungskörper nicht mehr so stark gekrümmt ist, kann man die Mittellinie durch eine oder mehrere Geraden bzw. Kreisbögen ersetzen. Es ist nicht unbedingt notwendig, dass der Parabelexponent 2,0 ist.

Man wird ihn den Eigenschaften des gewählten Profils sowie dem Einfluss der mit der Flüssigkeitstiefe sich ändernden Vorrotation anpassen.

Der Zweck, nämlich die Erzeugung einer gleichmässigen, von der Eintauchtiefe unabhängigen Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Strömungskörper - wobei sich innen Gas befindet - und der umgebenden Flüssigkeit wird mit symmetrischen Profilen, deren Skelettlinie in Umfangsrichtung liegt, erreicht. Als Nebenwirkung wird infolge der Schleppwirkung der Strömungskörper eine gewisse Zirkulation erzeugt. Diese kann man zum Flüssigkeitstransport ausnutzen, wenn man eine Leitwand 15, Abb. 5, einbaut, die etwa in der Drehachse beginnt und sich nach der gewünschten Abströmrichtung hin erstreckt. In der Durchschlagsebene der Strömungskörper besitzt die Leinwand 15 einen Schlitz.

Die Transportwirkung der Strömungskörper lässt sich vergrössern, wenn man der Profilskelettlinie einen Anstellwinkel a zur Umfangsrichtung gibt bzw. sie zusätzlich wölbt (Abb. 3). Durch diese Massnahme wird vorzugsweise eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Drehachse erzeugt. Die Ausnutzung dieser Geschwindigkeit zur Umwälzung in einem Behälter zeigt Abb. 6. Die Gaseintragung wird unterstützt, wenn die Flüssigkeit durch die Strö mungskörper nach oben gefördert und innerhalb eines zur Drehachse konzentrischen Zylinders 16 wieder nach unten fliesst. Da die Flüssigkeit einen Drall besitzt, wird hinter dem Überlauf 17 der sich aus einem Potentialwirbel ergebende Schlauch ent stehen, durch den zusätzlich Gs in die Flüssiglçeit eingesaugt wird.

Bei einer Anordnung gemäss Abb. 7 wird die Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit vergrössert und damit eine Verkürzung der Prozessdauer bzw. eine Verkleinerung der Reaktionsräume ermöglicht.

Der Behälter 18 ist hierbei höher als die Eintauchtiefe der Strömungskörper 12. Letztere erteilen der Flüssigkeit eine Vertikalgeschwindigkeit nach unten.

Wenn diese Geschwindigkeit die Steiggeschwindigkeit der Gasblasen übertrifft, werden sie mit nach unten gerissen. Dadurch kommen sie in ein Gebiet höheren Druckes, so dass auch ein grösserer Gasanteil gelöst wird. Der ringförmige Führungskörper 19 hat die Aufgabe, die gewünschte Geschwindigkeit zu erzwingen. Sein Durchmesser ist vorzugsweise so gewählt, dass die Abwärtsgeschwindigkeit aussen grösser ist als die Aufwärtsgeschwindigkeit innen.

Tn Abb. 8 ist eine beispielsweise Ausführung ge zeigt, bei der zwei Reihen von Strömungskörpern 20 und 21 konzentrisch zueinander angeordnet sind.

Beide drehen sich unabhängig voneinander, und zwar die innere Reihe 20 mit einer höheren Drehzahl als die äussere 21. Zur Aufhebung des durch die eine Reihe erzeugten Dralles kann sich die andere gegenläufig drehen. Dadurch wird die Relativgeschwindigkeit zwischen Strömungskörper und Flüssigkeit ver gröss. rt und damit auch die eingetragene Gasmenge.

Es ist beispielsweise ein Zylinder 22 vorgesehen, welcher die Strömungskörper umgreift, während der Behälter selbst noch einen grösseren Durchmesser hat. Dadurch werden wieder zwei Strömungsräume zur Erzielung einer eindeutigen Umwälzung abgegrenzt.

Eine Anordnung zur Erzeugung einer Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zur Drehachse der Strömungskörper zeigen die Abb. 9 im Aufriss und 10 im Grundriss. Die Mittellinie der Strömungskörper 23 ist hierbei vorzugsweise eine Gerade. Die Strömungskörper sind um ihre Mittellinie drehbar. Die Drehbewegung wird in bekannter Weise mittels einer Kurbel 24 erzeugt. Der Kurbelzapfen 25 greift unter Zwischenschaltung einer Rolle 26 in eine kreisrunde Führungsnut 27 ein, deren Mittelpunkt exzentrisch zur Drehachse der Strömungskörper eingestellt und die auch axial verschoben werden kann. Daraus resultiert eine Änderung der Anstellwinkel über dem Umfang und eine in Richtung der Exzentrizität ver laufende (: Querströmung, wie Abb. 10 zeigt.

Ausser der gezeigten Lösung zur Änderung des Anstellwinkels während einer Umdrehung können auch andere bekannte Verfahren benutzt werden.

Claims

Da nur der Holm der Strömungskörper für die Gaszufuhr in Anspruch genommen wird, kann man den Gesamtquerschnitt auch für weiter wichtige Funktionen ausnutzen. Zunächst ist daran gedacht, die frische Flüssigkeit, welche mit Gas angereichert werden soll, durch einen im Strömungskörper vorgesehenen Kanal 28 (Abb. 1) und Öffnungen 29 unmittelbar hinter den Gasschlitzen 2 zuzuführen, damit eine intensive Anreicherung stattfindet. Weiterhin ist es oft nötig, die Flüssigkeit etwas aufzuheizen, um den in ihr befindlichen Mikroorganismen günstigere Lebensbedingungen zu geben.

Dies kann dadurch geschehen, dass man den hinteren Teil 30 der Strömungskörper von Heizgas oder Dampf durchströmen Iässt. Bei Heizgasen wird man einen Vor- und Rück laulkanal vorsehen, während das Dampfkondensat gegebenenfalls auch in die Flüssigkeit abgeführt werden kann.

PATENTANSPRUCH Einrichtung zur Gaseintragung in Flüssigkeiten, bestehend aus rotierenden Strömungskörpern, die so profiliert sind, dass sich an ihnen Unterdruckzonen bilden, welche das Einsaugen des Gases in die Flüssigkeit ermöglichen - wobei die Gaszufuhr vom Inneuen derStrömungskörper her vorgenommen wird dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente der den Unterdruck erzeugenden Strömungskörper eine mit zunehmender Eintauchtiefe ansteigende Geschwindigkeit haben.

UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elemente der Strömungskörper bei vertikaler Rotationsachse auf einem nach unten offenen Paraboloid bewegen.

2. Einrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Paraboloids durch eine oder mehrere Kegelflä chem angenähert ist.

3. Einrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugende des Paraboloids durch einen oder mehrere Kreisbögen angenähert ist.

4. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung von symmetrisch profilierten Strömungskörpern diese einen Anstellwinkel zur Umfangsrichtung haben.

5. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilskelettlinie der Strömungskörper gewölbt ist.

6. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Profildicke in Strömungsrichtung gesehen sich an der dicksten Stelle sprunghaft verkleinert und unmittelbar in der Sprungstelle sich die Schlitze für die Gaszufuhr befinden.

7. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in den rotierenden Strömungskörpern weitere Kanäle und Öffnungen vorgesehen sind, welche die Zuführung frischer Flüssigkeit und gegebenenfalls die Zirkulation von Heizgasen oder -flüssigkeiten ermöglichen.

S. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zwecks Ausnutzung der Schlepp wirkung der Strömungskörper zum Flüssigkeitstrans- port in der Ebene der Drehachse eine Leitwand vorgesehen ist, welche etwa in der Drehachse beginnt und sich nach der gewünschten Abströmrichtung hin erstreckt.

9. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Strömungskörper eine Aufwärtsströmung erzeugen, in dem Reaktionsgefäss ein zur Drehachse konzentrischer Zylinder vorgesehen ist, dessen Durchmesser etwa halb so gross ist wie der des Reaktionsgefässes.

10. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Strömungskörper eine Abwärts strömung erzeugen, in dem Reaktionsgefäss ein zur Drehachse konzentrischer Zylinder vorgesehen ist, dessen Durchmesser so gross ist, dass die ausserhalb herrschende Abwärtsgeschwindigkeit grösser ist als die Aufwärtsgeschwindigkeit innen.

11. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reihen von Strömungskörpern konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die innere Reihe einen kleineren Durchmesser hat als die äussere und mit höherer Drehzahl gleichoder gegensinnig umläuft.

12. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Strömungskörper während des Betriebes veränderlich ist.

13. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Strömungskörper zur Umfangsrichtung während des Betriebes oder im Stillstand veränderlich ist.

14. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel jedes einzelnen Strömungskörpers zur Umfangsrichtung während jeder Umdrehung zwischen zwei Extremwerten ver änderlich ist, wobei die periphere Lage der Extremwerte ebenfalls variabel ist.