DE102009024707A1

DE102009024707A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten

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Publication number: DE102009024707A1
Application number: DE102009024707A
Authority: DE
Inventors: Hartmuth Dr.rer.nat. Dipl.-Chem. Kölling; Carlo MSc. Wi.-Ing. Meier; Wolfgang Mulinski; Heinz-Ferdinand Dipl.-Ing. Oppermann; Bernd Dipl.-Ing. Paul; Hannelore Dipl.-Oek. Riedel
Original assignee: KAVIWO GmbH
Current assignee: KAVIWO GmbH
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-12-16

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten sowie eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, das einerseits wirtschaftlich ist und mit dem andererseits ein maximaler Aufschluss der organischen Materialien sowie eine Minimierung des organischen Trockensubstrats in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten erreicht wird. Erreicht wird dies dadurch, dass durch Kompression der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit in dieser Flüssigkeit Gasblasen erzeugt werden, die jeweils einen temporären Reaktionsraum ausbilden, in dem sich Radikale der Flüssigkeit bilden. Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden zur Aufbereitung von schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten, insbesondere bei Fermentationsprozessen, eingesetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine dazugehörige Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden zur Aufbereitung von schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten, insbesondere bei Fermentationsprozessen eingesetzt.
In Fermentern werden biologisch abbaubare Anteile des Abwassers durch geeignete Bakterien zu Methan umgesetzt. Diese Umsetzung erfolgt auf molekularer Ebene. Dabei ist der Wirkungsgrad der anaeroben Umsetzung der organischen Bestandteile des Abwassers niedrig.
Deshalb sind unterschiedliche Lösungen bekannt, bei denen versucht wird, beispielsweise durch die Variation der Temperatur, des pH-Wertes und/oder der Verweilzeit oder durch die Zugabe von Zusatzstoffen, eine Erhöhung der Gasausbeute zu erreichen. Dabei wird aber nur eine Minderung des organischen Trockensubstrats des Abwassers von ca. 30 bis 60% erreicht, weshalb ein deutliches Restgaspotential im Klärschlamm verbleibt und somit ungenutzt verloren geht.
Eine erhebliche Reduzierung des organischen Trockensubstrats des Abwassers im Fermenter lässt sich aber mit Verfahren erreichen, bei denen die Substratstruktur zerstört wird. Dabei wird die reaktive Oberfläche des Substrates vergrößert, so dass sich mehr Bakterien an die funktionellen Gruppen zur Methanumsetzung ansiedeln können.
So ist aus der EP 0 808 803 A1 eine Ultraschallbehandlung von Klärschlamm und eine damit verbundene Kavitation bekannt, bei welcher die Zellwände zerstört und dadurch die Oberfläche des Substrates vergrößert wird. Dadurch können geeignete Bakterien das in seiner Oberfläche vergrößerte Substrat vermehrt zu Methan umsetzen.
Von Nachteil ist aber, dass die Ultraschallbehandlung energie- und kostenintensiv ist. Außerdem ist der technische und apparative Aufwand der Ultraschallbehandlung im Vergleich zur erzielten Methansteigerung hoch, was derartige Verfahren unrentabel macht.
Auch ist aus der DE 10 2004 017 975 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufschluss von organischen Material in einem fließfähigen Stoffsystem bekannt, bei dem ein Gasgemisch aus einem entzündbaren Fluid und einem fluiden Oxidationsmittel explosionsartig zur Reaktion gebracht wird. Dabei erzeugt das fluide Reaktionsgemisch in dem fließfähigen Stoffsystem Druck- und Stoßwellen, womit ein erhöhter Aufschluss der organischen Materialien erreicht werden soll.
Von Nachteil ist dabei, dass das fluide Reaktionsgemisch diskontinuierlich in das fließfähige Stoffsystem eingebracht wird. Daraus resultieren hohe Betriebszeiten. Höhere Durchsetze lassen sich nur durch Vorrichtungen mit größeren Apparaten realisieren, wodurch dieses Verfahren teuer ist.
Außerdem muss zusätzlich als Brennstoff Wasserstoff dem Apparat zugeführt werden, wodurch die Vorrichtung wegen der hohen Betriebskosten unrentabel ist.
Aus der DE 10 2006 052 995 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gasöl aus kohlenwasserstoffhaltigen organischen Reststoffen und nachwachsenden Rohstoffen durch Reaktionsführung und Energieeintrag mittels prozessintegrierter Kavitation bekannt, bei dem feste und/oder flüssige kohlenwasserstoffhaltige organische Reststoffe und/oder nachwachsende Rohstoffe in einem Reaktionsraum in einer strömenden oder schwingenden flüssigen gasführenden Ölphase durch prozessgesteuerte Kavitation und Friktion auf die notwendige Reaktionstemperatur gebracht werden. Dabei sollen die kohlenwas serstoffhaltigen organischen Reststoffe und/oder nachwachsenden Rohstoffe unter Ausschluss oder dem Einsatz von thermisch stabilen Katalysatoren durch auf Kavitationsenergie beruhende intramolekulare und intermolekulare Stoffumwandlung zu mineralischen Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden. Die Kavitationsenergie soll dabei sowohl für die Aktivierung von exotherm ablaufenden chemischen Reaktionen der Sauerstoffentfernung als auch für den hohen Energiebedarf der stark endothermen chemischen Reaktion wie Depolymerisation und Synthese von Kohlenwasserstoffen genutzt werden.
Von Nachteil ist aber, dass das Mineralöl extern auf eine Reaktionstemperatur von 360 bis 380°C erhitzt werden muss. Dazu wird zusätzlich erzeugte Wärmeenergie benötigt, deren Bereitstellung zu hohen Betriebskosten führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten, sowie eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, dass einerseits wirtschaftlich ist und mit dem andererseits ein maximaler Aufschluss der organischen Materialien sowie eine Minimierung des organischen Trockensubstrats schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten erreicht wird.
Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9 und 11 bis 20.
Das neue Verfahren zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten sowie die dazugehörige Vorrichtung beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verfahrens zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten ist es, dass durch Kompression der schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten in dieser Flüssigkeit Gasblasen erzeugt werden, die jeweils einen temporären Reaktionsraum ausbilden, in dem sich Radikale der Flüssigkeit bilden. Mit der Bildung der Radikale der Flüssigkeit werden die Bestandteile der Flüssigkeit reaktionsfreudiger, wodurch das organische Trockensubstrat der schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten durch die Bakterien stärker verarbeitet wird. Dadurch wird die Menge des organischen Trockensubstrates in den schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten minimiert und die nutzbare Menge des Ausgangsmaterials erhöht.
Von Vorteil ist es dann, wenn bei der Erzeugung der Gasblasen in der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit, örtlich begrenzt auf die Gasblasen, jeweils der statische Druck der Flüssigkeit den temperaturabhängigen Dampfdruck dieser Flüssigkeit unterschreitet.
Dadurch entlädt sich aufgestaute Energie in initiierten Verdampfungsreaktionen, die von akustischen (Lärm) und optischen (Lichtblitze) Erscheinungen begleitet werden.
Weiter ist von Vorteil, wenn zur Erzeugung der Gasblasen in der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit diese Flüssigkeit auf unter 8 bar, vorzugsweise 3 bis 5 bar verdichtet und durch eine Kavitationseinrichtung gedrückt wird, wobei mit der Kavitationseinrichtung in dieser Flüssigkeit eine Kavitation erzeugt wird, bei der ein Teil dieser Flüssigkeit verdampft, wodurch sich in der Flüssigkeit Gasblasen ausbilden, wobei jede diese Gasblasen jeweils als ein temporären Reaktionsraum zur Bildung der Radikale der Flüssigkeit dient. Dadurch wird kein chemischer Reaktor im bekannten Sinne als Vorrichtung benötigt. Die Reaktionen laufen ausschließlich in sehr kleinen Gasblasen ab, die sich in von den softwaregesteuerten Bedingungen abhängigen Rohrabständen nach der Förderpumpe bilden.
Das Innere der Gasblasen wird dabei zum temporären Reaktorraum, in dem extrem hohe Temperaturen und Drücke herrschen. Nach Verlassen der Reaktionszone wird die chemische Reaktion unterbrochen, die Produkte liegen in der wässrigen Phase vor und der „Reaktor” existiert nicht mehr. In diesem Prozess entsteht kein äußerer Druck oder deutlicher außen messbarer Temperaturanstieg im System.
Ein wesentlicher Vorteil ist, wenn diese gebildeten Radikale in den chemische Verbindungen, die bisher keine funktionellen Gruppen aufweisen, funktionelle Gruppen aus bilden, weil diese funktionellen Gruppen durch die bakterielle Umsetzung in einem Biofermenter zu Methan umgesetzt werden.
Von Vorteil ist auch, wenn bei Einsatz in einem Biogasfermenter durch die Kavitationseinrichtung eine verbesserte Ausnutzung der Biomasse erreicht und der Austrag an Feststoff um den zusätzlich vergasten Anteil verringert wird. Dabei reduzieren sich die Mengen an einzubringender Biomasse bei gleicher Gasproduktion.
Alternativ erhöht sich die Gasmenge für die energetische Anwendung bei unverändertem Biomasse-Input. Theoretisch ist das gesamte organische Substrat mit Ausnahme des Ascheanteils umsetzbar, da alle Moleküle mit einem organischen Kohlenstoffatom in eine abbaubare Struktur umgesetzt werden können.
Entscheidend für den Wirkungsgrad ist, dass die Ausbildung der Reaktionszone optimal ist. Dabei wird der Aufschlussgrad durch die Reaktionen des Wassers mit dem Substrat bestimmt. Der Vorteil besteht darin, dass keine Energieverluste auftreten, da die Reaktion nur im Inneren der Lösung abläuft und eingesetzte Energie als chemische Energie vollständig im Stoffsystem verbleibt.
Das neue Verfahren zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten sowie die dazugehörige Vorrichtung soll nun an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Dazu zeigen:
1: Schematische Darstellung der Vorrichtung mit einer offenen Steuerung,
2: Schematische Darstellung der Kavitationseinrichtung,
3: Schematische Darstellung der Vorrichtung mit einer geschlossenen Steuerung,
4: Schematische Darstellung der Vorrichtung mit zusätzlichen Turbulenzelementen,
5: Schematische Darstellung der Vorrichtung mit einer Düse zur Treibmittelzugabe,
6: Schematische Darstellung der Vorrichtung mit Treibmittelzugabe aus einer Stoffquelle,
7: Schematische Darstellung der Vorrichtung mit einer alternativen Treibmittelzugabe aus der Stoffquelle,
8: Blockschaltbild eines Fermentationsprozess mit der Vorrichtung und
9: Blockschaltbild des Fermentationsprozess mit einem Separator und der Vorrichtung.
Die neue Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten besteht gemäß der 1 aus einer Kavitationseinrichtung 1 und einer Steuereinrichtung 2, wobei die Steuereinrichtung 2 zur Steuerung der Kavitation in der Kavitationseinrichtung 1 dient.
Die Kavitationseinrichtung 1 besteht aus einem, im Wesentlichen die Form einer LAVAL-Düse aufweisenden Kavitationsrohr 3 und einem im Inneren des Kavitationsrohres 3 angeordneten Turbulenzelement 4.
Das Turbulenzelement 4 besteht wiederum aus mehreren Scheiben 5 und mehreren Distanzstücken 6, die auf einem zentrisch in das Kavitationsrohr 3 angeordneten Führungsrohr 7 angeordnet sind.
Dabei sind die Scheiben 5 durch jeweils mindestens ein Distanzstück 6 voneinander getrennt, wobei sich vor der ersten Scheibe 5 ein aufgeschweißtes Distanzstück 6' und hinter der letzten Scheibe 5 ein auf das Führungsrohr 7 aufgeschraubtes Distanzstück 6'' angeordnet ist.
Die Scheiben 5 besitzen jeweils die Form eines Kegelstumpfes, wobei dessen Stumpfflächen gegen die Strömungsrichtung der schwebstoffreichen Flüssigkeiten durch das Kavitationsrohr 3 und damit in Richtung Steuereinrichtung 2 zeigen.
Dagegen besitzen die Distanzstücke 6 jeweils die Form eines Kreiszylinders, wobei die Durchmesser der Distanzstücke 6 kleiner als die Durchmesser der Stumpfflächen der Scheiben 5 sind. Während alle Distanzstücke 6 untereinander den gleichen Durchmesser aufweisen, sind die Durchmesser der Scheiben 5 in Richtung Steuereinrichtung 2 in der Reihenfolge jeweils kleiner als die vorhergehende Scheibe 5.
Das Führungsrohr 7 ist gegenüber dem Kavitationsrohr 3 entlang der Rotationsachse des Kavitationsrohres 3 verschiebbar und mit der Steuereinrichtung 2 verbunden, so dass die Position der Scheiben 5 entlang der Rotationsachse des Kavitationsrohres 3 durch die Steuereinrichtung 2 veränderbar ist.
Mit der Steuereinrichtung 2, die als offene Steuerung ausgeführt ist, wird die Position der Scheiben 5 entlang der Rotationsachse des Kavitationsrohres 3 eingestellt. Dazu werden die Scheiben 5 im Kavitationsrohr 3 derart positioniert, dass die durch die Strömung im Kavitationsrohr 3 erzeugten Strömungsgeräusche am lautesten sind. Dabei dient die Lautstärke der Kavitation als Sollwert.
In Funktion der neuen Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten gemäß der 1 und 2 strömt eine Flüssigkeit in das Kavitationsrohr 3 ein. Dabei wird diese Flüssigkeitsströmung bis zum Erreichen des engsten Querschnitts des Kavitationsrohres 3 verdichtet, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit dieser Flüssigkeitsströmung erhöht. In Strömungsrichtung hinter dem engsten Querschnitt des Kavitationsrohres 3 erweitert sich das Kavitationsrohr 3 konisch und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung nimmt ab. In diesem Bereich trifft die Strömung auf das Turbulenzelement 4, wobei der der Strömung vorgegebene freie Strömungsquerschnitt, der sich zwischen der Mantelfläche 8 jeder Scheiben 5 und der Innenwand 9 des Kavitationsrohres 3 ausbildet, sich in Strömungsrichtung verringert. Dadurch wird die durch diese freien Strömungsquerschnitte hindurchströmende Strömung mehrfach beschleunigt und im Bereich der Distanzstücke 6 abgebremst. Da die Durchmesser der in Strömungsrichtung aufgereihten Scheiben 5 jeweils zunimmt und sich der jeweilige freie Strömungsquerschnitt zwischen der Mantelfläche 8 der Scheiben 5 und der Innenwand 9 des Kavitationsrohr 3 verringert, wird die Strömung stufenweise stärker beschleunigt. Außerdem bildet die umlaufende Kante zwischen der jeweiligen Grundfläche und der Mantelfläche 8 der Scheiben 5 jeweils eine Strömungsabrisskante 10 aus, wodurch die Strömung in Strömungsrichtung jeweils hinter den Scheiben 5 verwirbelt wird.
Alternativ ist gemäß der 3 die Steuereinrichtung 2 als geschlossene Steuerung ausgeführt, in dem die Steuereinrichtung 2, in der ein in 3 nicht dargestellter Regler integriert ist, mit einem Sensor 11 zur Messung der Lautstärke verbunden ist. Dabei wird mit dem Sensor 11 die Lautstärke der durch die Strömung im Kavitationsrohr 3 erzeugten Strömungsgeräusche gemessen und mit einem Sollwert verglichen, wobei die bei der Kavitation auftretende Lautstärke der Strömungsgeräusche als Sollwert dient. Entsprechend dem Vergleich des Istwertes mit dem Sollwert durch den in der Steuereinrichtung 2 integrierten Regler wird durch den in der Steuereinrichtung 2 das Führungsrohr 7 derart gegenüber dem Kavitationsrohr 3 entlang der Rotationsachse des Kavitationsrohres 3 verschoben, dass im Kavitationsrohr 3 Kavitation auftritt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten gemäß der 4 weist die Kavitationseinrichtung 1 zusätzlich einen Strömungsgleichrichter 12, einen kegelstumpfförmigen Pfropfen 13 und einen doppelkegelstumpfförmigen Pfropfen 14 auf.
Der Strömungsgleichrichter 12 ist entgegen der Strömungsrichtung vor dem Kavitationsrohr 3 angeordnet. Mit diesem Strömungsgleichrichter 12 wird erreicht, dass die durch den Strömungsgleichrichter 12 hindurchströmende Flüssigkeit in eine um die Strömungsachse rotierende Strömung versetzt wird.
Der kegelstumpfförmige Pfropfen 13 ist am Turbulenzelement 4 derart auf dem Führungsrohr 7 in Strömungsrichtung vor den Scheiben 5 angeordnet, dass dessen Stumpffläche entgegen der Strömungsrichtung zeigt. Damit wird der freie Strömungsquerschnitt zwischen der Mantelfläche 8 des kegelstumpfförmigen Pfropfens 13 und der Innenwand 9 des Kavitationsrohres 3 verringert, wodurch die durch diesen freien Strömungsquerschnitt hindurchströmende Flüssigkeit beschleunigt wird. Zudem bildet die umlaufende Kante zwischen Grundfläche und Mantelfläche 8 des kegelstumpfförmigen Pfropfens 13 eine weitere Strömungsabrisskante 10 aus, durch die die Strömung in Strömungsrichtung hinter den Pfropfen 13 verwirbelt wird.
Der doppelkegelstumpfförmige Pfropfen 14 ist am Turbulenzelement 4 derart auf dem Führungsrohr 7 in Strömungsrichtung hinter den Scheiben 5 angeordnet, dass dessen Stumpfflächen entgegen der Strömungsrichtung zeigen. Auch mit diesem doppelkegelstumpförmigen Pfropfen 14 wird der freie Strömungsquerschnitt zwischen der Mantelfläche 15 des doppelkegelstumpfförmigen Pfropfens 14 und der Innenwand 9 des Kavitationsrohr 3 jeweils verringert, wodurch die durch diesen freien Strömungsquerschnitt hindurchströmende hochturbulente Strömung nochmals beschleunigt, abgebremst und beschleunigt wird. Dabei besitzt dieser doppelkegelstumpfförmige Pfropfen 14 zwei umlaufende Strömungsabrisskanten 10, durch die die Strömung in Strömungsrichtung direkt hinter den Pfropfen 14 weiter verwirbelt wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten gemäß der 5 besitzt das Turbulenzelement 4 anstelle des doppelkegelstumpfförmigen Pfropfens 14 einen doppelkegelstumpfförmige Düse 16, die auf dem Führungsrohr 7 in Strömungsrichtung hinter den Scheiben 5 angeordnet ist und dessen Stumpfflächen entgegen der Strömungsrichtung zeigen. Dabei schließt sich die doppelkegelstumpfförmige Düse 16 dem Führungsrohr 7 an, wobei das Führungsrohr 7 in der Düsenöffnung 17 der Düse 16 mündet.
Weiterhin ist gemäß der 6 das mit der Steuereinrichtung 2 verbundene Rohrende des Führungsrohres 7 mit einer Stoffquelle 18 zur Stoffzugabe aus der Stoffquelle 18 verbunden, so dass die Stoffquelle 18 über das Führungsrohr 7 und die doppelkegelstumpfförmige Düse 16 gegenüber dem Kavitationsrohr 3 offen ist. Dabei kann die Stoffquelle 18 ein Vorratsbehälter wie z. B. eine Flüssigkeits-/Gasflasche oder ein Flüssigkeits-/Gastank sein. Auch ist es denkbar, als Stoffquelle 18 eine Pumpe bzw. einen Kompressor einzusetzen, mit dem Umgebungsluft angesaugt und in das Kavitationsrohr 3 gedrückt wird.
Der aus der Stoffquelle 18 zugegebene Stoff dient als Treibmittel, wodurch ein Mitreißen der Strömung hinter der doppelkegelstumpfförmigen Düse 16 im Kavitationsrohr 3 erreicht und die innere Energie der Strömung nochmals weiter erhöht wird. Denkbar ist es auch, das Treibmittel mit einem Zusatzstoff zu vermischen oder zu ersetzen, wobei mit dem Zusatzstoff geeignete funktionelle Gruppen, wie z. B. Sulfonsäuregruppen, Aminogruppen und Carboxylgruppen, gezielt in das Kavitationsrohr 3 eingeführt werden.
In einer weiteren Alternative der besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten gemäß der 7 erfolgt die Zugabe des aus der Stoffquelle 18 entnommenen Treibmittels über drei Öffnungen 25, die im Führungsrohr 7 in Strömungsrichtung der Flüssigkeit vor dem aufgeschweißten Distanzstück 6' und über den Umfang des Führungsrohres 7 in einem Winkel von 120° angeordnet sind, wobei die Düse 16 durch einen Düsenverschluss 26 verschlossen ist.
Die Anwendung der neuen Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten soll an einem Fermentationsprozess gem. 8 erläutert werden. Dazu ist ein Biofermenter 19 mit dem Kavitationsrohr 3 der Kavitationseinrichtung 1 über Rohrleitungen 20, 21 verbunden, wobei in der Rohrleitung 20 eine Förderpumpe 22 sowie in der Rohrleitung 21 ein Zwischenbehälter 23 und eine weitere Förderpumpe 24 derart angeordnet sind, dass eine schwebstoffhaltige Flüssigkeit aus dem Biofermenter 19 in die Rohrleitung 20 angesaugt und nacheinander durch die Rohrleitung 20, das Kavitationsrohr 3 der Kavitationseinrichtung 1 und die Rohrleitung 21 über eine Druckerhöhung wieder zurück in den Biofermenter 19 gedrückt wird. Dabei wird die schwebstoffhaltige Flüssigkeit, die einen Feststoffanteil von kleiner 5%, vorzugsweise eine Trockenmasse zwischen 20 und 30 g/l, und einer dynamischen Viskosität von ca. 1 mPa·s (= 1·10^–3 kg/(ms)) aufweist, in der Förderpumpe 22 auf einen Druck von = 8 bar, vorzugsweise auf einen Druck zwischen 3 bis 5 bar, bei einer Durchflussmenge an schwebstoffhaltiger Flüssigkeit zwischen 20 bis 32 m³/h, vorzugsweise von ca. 25 m³/h, verdichtet, so dass eine Strömung der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit im Kavitationsrohr 3 turbulent ist und eine Reynoldszahl > 4000, vorzugsweise zwischen 10000 und 20000, aufweist.
Über die Steuereinrichtung 2 wird die Kavitation in der Kavitationseinrichtung 1 gesteuert, in dem mit dem Sensor 11 die Lautstärke der durch die Strömung im Kavitationsrohr 3 erzeugten Strömungsgeräusche gemessen und mit einem Sollwert verglichen wird. Dabei dient die bei der Kavitation auftretende Lautstärke als Sollwert. Entsprechend diesem Vergleich durch den in der Steuereinrichtung 2 integrierten Regler wird durch die Steuereinrichtung 2 das Führungsrohr 7 derart gegenüber dem Kavitationsrohr 3 entlang der Rotationsachse des Kavitationsrohres 3 verschoben, dass im Kavitationsrohr 3 Kavitation auftritt. Dabei unterschreitet der statische Druck dieser Flüssigkeit im Kavitationsrohr 3 stellenweise den temperaturabhängigen Dampfdruck dieser Flüssigkeit, so dass in dieser Flüssigkeit Gasblasen erzeugt werden. Diese Gasblasen bilden jeweils einen temporären Reaktionsraum aus, in dem sich Radikale der Flüssigkeit bilden.
Die aus der Verdampfung entstehen Gasblasen werden durch Wasserdampf gebildet. Es entstehen bei den hier herrschenden extremen Reaktionsbedingungen für sehr kurze Zeit Radikale des Wassers (z. B. H₃O^–, OH^–) als Zersetzungsprodukte des Wassers.
Beim Verlassen des Kavitationsrohres 3 reagieren diese extrem energiereichen und deshalb sehr kurzlebigen Radikale mit den chemischen Verbindungen z. B. Lignin zu abbaubaren Stoffen oder untereinander wieder zu Wasser, wobei es sich bei den ablaufenden Reaktionen um klassische Ketten- und Strukturabbaureaktionen bei gleichzeitigem Einbau von funktionellen Gruppen handelt.
Dabei wird unter den Bedingungen der Kavitation die organische Matrix von Biomasse im Vergleich zu „normalen” Bioreaktoren besser ausgenutzt, indem auch die meist langkettigen und strukturell vernetzten Kohlenwasserstoffe (Zellulose, Lignine) dem Einfluss von Wasserradikalen ausgesetzt werden. Die damit verbundene Radikalisierung an den Bruchzonen der Kohlenstoffketten oder -vernetzungsbrücken führt spätestens nach Abbruch der Spaltungsreaktion zum Beispiel durch Hydrolyse zur Bildung aktiver Reaktionszonen durch Einbau von z. B. Hydroxylgruppen, die einem biologischen Abbau bevorzugt zur Verfügung stehen.
Finden die Radikale, die bei Wasserzersetzung entstehen, keine geeigneten Reaktionspartner in ihrer sehr kurzen Lebenszeit, rekombinieren sie wieder zu Wasser, so dass keine Nebenreaktionen ablaufen, die zu unerwünschten Stoffen führen könnten.
In einer erweiterten Ausführung der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten kann gem. 9 in der Rohrleitung 20 vor der Förderpumpe 22 ein Separator 27 zur Feststoffabtrennung angeordnet werden, wobei der Separator 27 über eine Rohrleitung 28, die eine Förderpumpe 29 aufweist, mit dem Biofermenter 19 verbunden ist.
Mit dem Separator 27 wird gewährleistet, dass der Feststoffanteil der in das Kavitationsrohr 3 geförderten schwebstoffhaltigen Flüssigkeit kleiner 5% ist bzw. die Trockenmasse vorzugsweise einen Wert zwischen 20 bis 30 g/l annimmt.
Dazu wird durch den Separator 27 aus der in der Rohrleitung 20 geförderten schwebstoffhaltigen Flüssigkeit derart viel Feststoff abgetrennt und durch die Förderpumpe 29 über die Rohrleitung 28 in den Biofermenter 19 zurückgeführt, dass die über die Förderpumpe 22 in das Kavitationsrohr 3 geförderte schwebstoffhaltige Flüssigkeit weniger als 50 g, insbesondere weniger als 30 g Feststoff je 11 Flüssigkeit enthält.
Alternativ kann die Kavitationseinrichtung 1 statt im Kreislauf- bzw. Umlaufbetrieb in einem Durchlaufbetrieb betrieben werden, wobei die Flüssigkeit aus dem Biofermenter 19 entnommen und über die Kavitationseinrichtung 1 in einem zweiten Biofermenter 19 gefördert wird.
Denkbar ist es auch, mehrere Kavitationseinrichtungen 1 einzusetzen, die schaltungstechnisch parallel zueinander angeordnet sind.
Alternativ können die Förderpumpe 22 als Druckerzeuger zusammen mit der Kavitationseinrichtung 1 und der Steuereinrichtung 2 in einem Gehäuse zu einem transportfähigen Modul zusammengefasst sein.
Denkbar ist es auch, durch die gewählte Breite der Distanzstücken 8 den jeweiligen Abstand zwischen den Scheiben 7 zu verändern und somit eine Voreinstellung der Kavitationseinrichtung 1 zu realisieren.
Ebenso ist es denkbar, die Scheiben 5, den Pfropfen 13 und den Pfropfen 14 sowie die Düse 16, insbesondere die Strömungsabrisskanten 10 in jeder anderen geeigneten Form auszugestalten.
Alternativ ist es auch möglich, anstelle der akustischen Ist- und Sollwerte, die offene oder geschlossene Steuerung der Kavitationseinrichtung 1 durch eine optische Ist- und Sollwerte zu ersetzen, wobei als Sollwert die bei der Kavitation auftretenden charakteristischen Lichtblitze erfasst werden und mit zur Istwerterfassung ein optischer Sensor wie beispielsweise eine Kamera oder eine Fotodiode eingesetzt wird.
Dabei ist es aber auch denkbar, jede andere geeignete, die Kavitation charakterisierende Größe zur Steuerung der Kavitationseinrichtung 1 einzusetzen.
Alternativ ist es auch denkbar, bei einem hohen Schwebstoffgehalt der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit, insbesondere bei einem hohen Faseranteil, die Kavitationseinrichtung 1 ohne den Strömungsgleichrichter 12 auszuführen, weil der Strömungsgleichrichter 12 für die Faserteile einen Strömungswiderstand darstellt und sich dadurch Verstopfungen im Strömungsgleichrichter 12 ausbilden können.

1: Kavitationseinrichtung
2: Steuereinrichtung
3: Kavitationsrohr
4: Turbulenzelement
5: Scheibe
6, 6', 6'': Distanzstück
7: Führungsrohr
8: Mantelfläche
9: Innenwand
10: Strömungsabrisskante
11: Sensor
12: Strömungsgleichrichter
13: kegelstumpfförmiger Pfropfen
14: doppelkegelstumpfförmige Pfropfen
15: Mantelfläche
16: Düse
17: Düsenöffnung
18: Stoffquelle
19: Biofermenter
20: Rohrleitung
21: Rohrleitung
22: Förderpumpe
23: Zwischenbehälter
24: Förderpumpe
25: Öffnung
26: Düsenverschluss
27: Separator
28: Rohrleitung
29: Förderpumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0808803 A1 [0005]
- DE 102004017975 A1 [0007]
- DE 102006052995 B4 [0010]

Claims

Verfahren zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kompression der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit in dieser Flüssigkeit Gasblasen erzeugt werden, die jeweils einen temporären Reaktionsraum ausbilden, in dem sich Radikale der Flüssigkeit bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Gasblasen in der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit, örtlich begrenzt auf die Gasblasen, jeweils der statische Druck dieser Flüssigkeit an diesen Orten den temperaturabhängigen Dampfdruck dieser Flüssigkeit unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Gasblasen in der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit diese Flüssigkeit auf unter 8 bar, vorzugsweise 3 bis 5 bar verdichtet und durch eine Kavitationseinrichtung (1) gedrückt wird, wobei mit der Kavitationseinrichtung (1) in dieser Flüssigkeit eine Kavitation erzeugt wird, bei der ein Teil dieser Flüssigkeit verdampft, wodurch sich in der Flüssigkeit Gasblasen ausbilden, wobei jede diese Gasblasen jeweils als ein temporären Reaktionsraum zur Bildung der Radikale der Flüssigkeit dient.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Kavitation in der schwebstoffhaltigen Flüssigkeit diese Flüssigkeit in der Kavitationseinrichtung (1) ein Kavitationsrohr (3) durchströmt, in welchem ein Turbulenzelement (4) angeordnet ist, wobei die Lage des Turbulenzelementes (4) im Kavitationsrohr (3) derart durch eine Steuereinrichtung (2) veränderbar ist, dass Kavitation in dieser Flüssigkeit auftritt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Änderung der Lage des Turbulenzelementes (4) im Kavitationsrohr (3) der dieser Flüssigkeit zum Hindurchströmen des Kavitationsrohres (3) zur Verfügung stehende freien Strömungsquerschnitt zwischen der Innenwand (9) des Kavitationsrohres (3) und dem Turbulenzelement (4) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Turbulenzelementes (4) im Kavitationsrohr (3) in Abhängigkeit der Lautstärke der durch die Strömung im Kavitationsrohr (3) erzeugten Strömungsgeräusche angepasst wird, wobei die bei Kavitation auftretende Lautstärke der Strömungsgeräusche als Sollwert dient.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lautstärke der durch die Strömung im Kavitationsrohr (3) erzeugten Strömungsgeräusche mit einem Sensor (11) zur Messung der Lautstärke gemessen und mit einem in der Steuereinrichtung (2) integrierten Regler die Lage des Turbulenzelementes (4) im Kavitationsrohr (3) entsprechend dem Sollwert geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten Wasser enthalten, so dass die Radikale der Flüssigkeiten Radikale des Wassers, insbesondere H₃O^– und OH^– sind.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem chemische Verbindungen mit funktionellen Gruppen in der schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten durch eine bakterielle Umsetzung zu Methan umgesetzt werden, wobei die schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten chemische Verbindungen enthält, die keine funktionellen Gruppen aufweisen und dadurch nicht durch die bakterielle Umsetzung zu Methan umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – diese gebildeten Radikale in den chemische Verbindungen, die bisher keine funktionellen Gruppen aufweisen, funktionelle Gruppen ausbilden und – diese funktionellen Gruppen durch die bakterielle Umsetzung in einem Biofermenter (19) zu Methan umgesetzt werden.
Vorrichtung zur Stoffumwandlung in schwebstoffhaltigen Flüssigkeiten, bestehend aus mindestens einer Kavitationseinrichtung (1), wobei jede Kavitationseinrichtung (1) ein Kavitationsrohr (3) und ein im Inneren des Kavitationsrohres (3) angeordnetes Turbulenzelement (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbulenzelement (4) im Kavitationsrohr (3) beweglich angeordnet ist und durch eine Steuereinrichtung (2) positioniert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kavitationsrohr (3) im Wesentlichen die Form einer LAVAL-Düse aufweist, wobei das Turbulenzelement (4) in Strömungsrichtung hinter dem kleinsten Querschnitt des Kavitationsrohres (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbulenzelement (4) aus mindestens zwei kegelstumpfförmigen Scheiben (5) und mindestens einem zylinderförmigen Distanzstück (6) bestehen, die auf einem zentrisch in das Kavitationsrohr (3) angeordneten Führungsrohr (7) angeordnet sind, wobei: – die Stumpfflächen der Scheiben (5) entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) zeigen, – der Durchmesser jedes Distanzstücks (6) kleiner als der Durchmesser der Stumpfflächen der Scheiben (5) ist und – die Scheiben (5) durch jeweils mindestens ein Distanzstück (6) voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser jeder Scheiben (5) entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) in der Reihenfolge jeweils kleiner als der Durchmesser der vorhergehenden Scheibe (5) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein doppelkegelstumpfförmige Pfropfen (14) am Turbulenzelement (4) derart auf dem Führungsrohr (7) entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) hinter den Scheiben (5) angeordnet ist, dass dessen Stumpfflächen entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) zeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein doppelkegelstumpförmige Düse (16) am Turbulenzelement (4) derart auf dem Führungsrohr (7) entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) hinter den Scheiben (5) angeordnet ist, dass dessen Stumpfflächen entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) zeigen und das Führungsrohr (7) in der Düsenöffnung (17) der Düse (16) mündet, so dass über das mit einer Stoffquelle (18) zur Stoffzugabe verbundene Rohrende des Führungsrohres (7) eine Stoffzugabe aus der Stoffquelle (18) über das Führungsrohr (7) und die doppelkegelstumpfförmige Düse (16) in das Kavitationsrohr (3) ermöglicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass: – mindestens ein Strömungsgleichrichter (12) in Strömungsrichtung vor dem Kavitationsrohr (3) angeordnet ist, womit eine hindurchströmende Strömung in eine um die Strömungsachse rotierende Strömung versetzt wird und – ein kegelstumpfförmiger Pfropfen (13) am Turbulenzelement (4) derart auf dem Führungsrohr (7) entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) vor den Scheiben (5) angeordnet ist, dass dessen Stumpffläche entgegen der Strömungsrichtung und in Richtung Steuereinrichtung (2) zeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor der Kavitationseinrichtung (1) einen Druckerzeuger zur Komprimierung dieser Flüssigkeit angeordnet ist, wobei der Druckerzeuger druckseitig mit der Kavitationseinrichtung (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger eine Förderpumpe (22) ist, die zusammen mit Kavitationseinrichtung (1) und der Steuereinrichtung (2) in einem Gehäuse zu einem transportfähigen Modul angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger zur Komprimierung dieser Flüssigkeit saugseitig mit einem Biofermenter (19) und druckseitig über die Kavitationseinrichtung (1) mit: – diesem Biofermenter (19) im Kreislaufbetrieb oder – einem zweiten Biofermenter (19) im Durchlaufbetrieb verbunden ist.