Verfahren und Vorrichtung zum Lösen von Gasen in Flüssigkeiten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lösen von Gasen in Flüssigkeiten in einem kontinuierlichen Arbeitsverlauf und bezweckt, ein Verfahren zu schaffen, das einen geringen Energieaufwand erfordert und sich deshalb für die Behandlung sehr grosser Flüssigkeitsmengen pro Zeiteinheit eignet. Das Lösen von Gasen bis zur Sättigungsgrenze wird für derartig grosse Flüssigkeitsmengen in verschiedenen Gebieten der Industrie für die Durchführung verschiedener Prozesse oftmals erforderlich, z. B. beim Lösen von Sauerstoff in kommunalen oder industriellen Abwässern, beim Lösen von Luft im Wasser für Flotationszwecke und beim Lösen verschiedener Gase in Flüssigkeiten in der chemischen Industrie.
Es; sind Verfahren für die vorgenannten Zwecke bekannt und werden in der Praxis angewandt; sie weisen aber gewisse Nachteile auf, wie z. B. grossen Energieaufwand, langen Aufenthalt im Behandlungsraum und von der vom Behandlungsraum abgehenden Flüssigkeit mitgeführtes ungelöstes Gas.
Abgesehen vom Einfluss der Temperatur auf das Gaslösungsvermögen, hängt die Lösungsgeschwindig- keit vom herrschenden Druck und der relativen Berührungsfläche zwischen Gas und Flüssigkeit ab.
Gaslösen unter Überdruck bringt jedoch einen entsprechenden Kraftaufwand mit sich, der bei Behandlung von grossen Flüssigkeitsmengen pro Zeiteinheit oftmals ökonomisch unannehmbar wird.
Der Faktor, der ohne zu grossen Energieaufwand für die Verbesserung der Lösungsverhältnisse beeinflusst werden kann, ist die relative Berührungsfläche zwischen Gas und Flüssigkeit. Die Vergrösserung dieser Berührungsfläche wird bei bekannten Verfahren auf verschiedene Weise erzeugt. Entweder wird Gas in die Flüssigkeit in Form kleiner Blasen eingeführt oder die Flüssigkeit wird in einem gasgefüllten Raum in Tropfen zerteilt. Das letzte Verfahren hat mit der vorliegenden Erfindung nichts gemeinsam und wird deshalb nicht weiter erwähnt.
Das erstgenannte Verfahren mit dem Einführen von Gasblasen in die Flüssigkeitsmasse kann mit Hilfe von gegen die Fläche e der Flüssigkeitsmasse gerichteten Strahlen aus der zu behandelnden Flüssigkeit durchgeführt werden. Diese Flüssigkeitsstrahlen strömen durch einen unmittelbar oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gelegenen, gasgefüllten Raum hindurch und reissen Gas in Form kleiner Blasen mit sich unter die Flüssigkeitsoberfläche. Verbrauchtes Gas kann entweder durch eine separate Zuführungsleitung oder zusammen mit der eintretenden Flüssigkeit ersetzt werden. Vom Gesichtspunkte des Kraftaufwandes ist das Verfahren vorteilhaft, da die Bewegungsenergie für die Zerteilung des Gases und die Einführung desselben in der Flüssigkeitsmasse ausgenutzt wird.
Jedoch hat es sich erwiesen, dass diese Flüssigkeitsstrahlen eine verhältnismässig hohe Geschwindigkeit erfordern, um annehmbare Lösungsverhältnisse zu schaffen.
Ferner regen ein oder mehrere annäherungsweise senkrecht zur freien Oberfläche einer Flüssigkeitsmasse gerichtete Strahlen ausgeprägte Zir kuiationsströmungen um eine zur Hauptströmungsirich- tung senkrechte Achse an, wodurch das Volumen der Flüssigkeit nur zu einem Bruchteil begast wird, da keine nennenswerte Flüssigkeitsumiagerung in den inneren Teilen der kreisenden Strömung erfolgt. Die äusseren Teile dieser Strömung gelangen dagegen schnell gegen den Auslass, wodurch auch die Gefahr des Mitführens freier Gasblasen durch die abgehende Flüssigkeit besteht.
Beim Studium der Lösungsverhältnisse einer Gasblase in Flüssigkeit wurde gefunden, dass nur eine äusserst geringe Flüssigkeitsschicht an der Gas blase schnell mit Gas gesättigt wird, während das Gas nur langsam von dieser Oberflächenschicht in die Flüssigkeitsmasse hineindiffundiert. Um diesen Verhältnissen Rechnung zu tragen und dadurch die Lösungsgeschwindigkeit zu verbessern, wurde vorgeschlagen, ein System von Gas und Flüssigkeit mit dünnen Zwischenwänden zu erstellen. Dabei wird ein grober Schaum gebildet, der unaufhörlich zerschlagen und wieder erneuert wird. Dadurch, dass der ganze oder grössere Teil der zu behandelnden Flüssigkeit an diesem Prozess teilnimmt, wird eine schnelle Sättigung der durchströmenden Flüssigkeit mit Gas erreicht.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, das Verfahren in einem zylindrischen Gefäss derart durchzuführen, dass Flüssigkeitsstrahlen schräg auf den Flüssigkeitsspiegel im Gefäss und parallel zu einer Tangente eines mit dem Gefäss konzentrischen Kreises auftreffen. Hierdurch wird aber die Flüssigkeitsmasse in Drehung versetzt, so dass die zu Schaum gepeitschte obere Schicht unaufhörlich von den eintretenden Strahlen zerschlagen und erneuert wird.
Gleichzeitig wird eine Wirbelbewegung im Gefäss erzeugt, die ungelöste Gasblasen abscheidet, so dass Gasblasen gegen die Drehachse des Wirbels hinwandern, wo sie sich zu grösseren Gebilden veremi- gen und zur Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen.
Es hat sich ferner gezeigt, dass sich auch ungelöste Gasblasen in der Wirbelspitze, im unteren Teil des Lösungsgefässes, wo die behandelte Flüssigkeit entnommen wird, ansammeln und dass diese ungelösten Gasblasen öfters von der abgehenden Flüssigkeit mitgeführt werden.
Ferner wird bei dieser Wirbelströmung eine verhältnismässig grosse Strömungsgeschwindigkeit im Gefäss erreicht, wodurch eine vollständige Ausnutzung des Gefässvolumens für das Lösen mitgerissener freier Gasblasen nicht möglich wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die genannten Nachteile zu beseitigen und mit geringem Kraftaufwand ein schnelles Lösen nebst einer besten Ausnutzung des ganzen Gefässvolumens zu ermöglichen. Ferner soll das Mitführen von freien Gasblasen mit der abgehenden Flüssigkeit vermieden werden unter Beibehaltung der gro ssen Vorteile des Aufbaus und unaufhörlichen Erneuerung eines groben Schaums.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Lösen von Gasen in Flüssigkeiten in einem kontinuierlichen Arbeitsverlauf, wobei der zugeführte Flüssigkeitsstrom einen oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels befindlichen, das zu lösende Gas enthaltenden Raum durchströmt, zeichnet sich dadurch aus, dass dieser eintretende Flüssigkeitsstrom in Form eines schleierförmigen konischen Strahles gegen den freien Flüssigkeitsspiegel einer ein zylinderförmiges Gefäss teilweise zu einem vorbestimmten Niveau ausfüllenden Flüssigkeitsmasse eingeführt wird, wobei die Achse des schleierförmigen konischen Strahles senkrecht zu und gleichachsig mit dem Gefäss verläuft,
so dass einerseits eine intensive Schaumbildung am Flüssigkeitsspiegel und anderseits eine praktisch wirbelfreie gleichförmige Abwärtsströmung der Flüssigkeit im Gefäss erzeugt und die behandelte Flüssigkeit am unteren Teile des Gefässes entnommen werden kann.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein zylindrisches Gefäss, einen Auslass am Boden des Gefässes und einen Einlass am oberen Teile des Gefässes, wobei der Einlass in einer mit der Mittelachse des Gefässes koaxialen Düse oberhalb eines feststehenden konischen Körpers endet, welch letzterer koaxial zur Düse angeordnet ist, und ferner durch ein Organ, welches dazu dient, den vorbestimmten Flüssigkeitsspiegel im Gefäss mindestens annäherungsweise in der gleichen Höhe wie die Unterseite des konischen Körpers zu halten.
Durch intensives Zerpeitschen der Flüssigkeitsoberfläche zu Schaum kann im Betriebszustand kein bestimmter Flüssigkeitsspiegel fetgesWllt werden.
Wenn im nachstehenden von Flüssigkeitsspiegel die Rede ist, wird der Flüssigkeitsspiegel in ruhendem Zustand verstanden.
Im nachstehenden wird die Erfindung beispielsweise anhand einer Ausführung beschrieben, die schematisch in zwei Figuren dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt in Seitenansicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und Fig. 2 in einem Axialschnitt einen Teil des Gefässes nach Fig. 1.
1 bezeichnet ein senkrechtes, zylindrisches, ge schlossenes Gefäss, das an seinem oberen Ende ein Einlassrohr 5 und an seinem unteren Ende ein Auslassrohr 4 aufweist. Das Einlassrohr 5 endet in einem in das Gefässinnere gerichteten, mit dem Rohr 5 koaxialen Mundstück 6. Unterhalb der Mündung des Mundstückes 6 und konzentrisch dazu ist ein feststehender konischer hutförmiger Körper 7 angeordnet, dessen Spitze der Mundstückmündung zugewandt ist. Der konische Körper 7 ist an Armen 8 befestigt, die mit dem Mundstück 7 verbunden sind.
Im Betrieb ist das Gefäss 1 mit Flüssigkeit bis zu einem Niveau 2 gefüllt. Die genaue Lage dieses Niveaus 2 ist nicht sehr wesentlich; es hat sich aber erwiesen, dass die besten Ergebnisse erreicht werden, wenn dieses Niveau 2 in gleicher Höhe oder etwas unterhalb der Unterseite des konischen Körpers 7 liegt.
Ein regelbarer Gasauslass in Form eines in der Tauchtiefe verschiebbaren Rohres 3 ist für die Beibehaltung des eingestellten Flüssigkeitsniveaus massgebend.
Verbrauchtes bzw. durch die Regelung weggeführtes Gas wird entweder durch eine besondere, nicht gezeigte Leitung oder zusammen mit der eintretenden Flüssigkeit ersetzt.
Die zu behandelnde Flüssigkeit wird durch das Einlassrohr 5 und das Mundstück 6 zugeführt und auf dem konischen Körper 7, der eine glatte gleichförmige Fläche aufweist, zu einem schleierartigen konischen Strahl mit geringer Dicke aufgeteilt. Die ser schleierförmige konische Strahl ist derart ge formt und bewegt, dass er auf Grund seines Auftreffens auf die Flüssigkeitsfläche in flachem Win kei in der Flüssigkeit eine mittels gestrichelter Pfeile A angedeutete Wirbelbildung hervorruft, die die obere zu einem groben Schaum zerschlagene Schicht scharf begrenzt. Durch die Wirbelbewegung wird der grobe Schaum mit der oben beschriebenen schnellen Gaslösung in der Folge unaufhörlich zerschlagen und erneuert.
In unmittelbarer Nähe unter dieser zu Schaum geschlagenen Oberflächenschicht strömt die Flüssigkeit mit grosser Gleichförmigkeit über den ganzen Querschnitt des Gefässes abwärts, wie dies durch die ausgezogenen Pfeile B angedeutet ist.
Dabei können etwaige vom Flüssigkeitsstrom erfasste Gasblasen wieder zur Oberfläche der Flüssigkeitsmasse gelangen. Die äusserst kleinen Gasblasen aber, die zuerst in der langsam abwärts sinkenden Filüssigkeitsmasse schweben, erhalten durch die gleichförmige Strömung eine lange Kontaktzeit für ihre Auflösung in der Flüssigkeit, so dass sie gelöst sind, ehe die Flüssigkeit vom unteren Teil des Gefässes 1 abgezogen wird. Daher kann eine praktisch gasblasenfreie Flüssigkeit dem Gefäss entnommen werden.
In der Praxis hat es sich bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens erwiesen, dass ein gewünschter Grad der Sättigung der r Flüssigkeit mit wesentlich geringerem Energieaufwand und mit einer bedeutend einfacheren Vorrichtung als bisher erreichbar ist. Der geringere Energieaufwand ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass deravintreten- den Flüssigkeit keine über die zur Schaumbildung in der Oberfläche nötige Bewegungsenergie hinausgehende Energie zugeführt werden muss und dass durch die gleichförmige Strömung im Behälter der Durchströmungswiderstand sehr klein wird.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren trifft die eingeführte Flüssigkeit nicht in tangentialer Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche auf, so dass keine Kräfte auftreten, welche die Flüssigkeitsmasse in Rotation zu bringen suchen.
Der schleierförmige konische Flüssigkeitsstrahl gibt durch sein geneigtes Auftreffen auf die Flüssigkeitsoberfläche keinen Anlass zu tiefgehenden Wirbeln, wie diese bei der Verwendung von einzelnen Strahlen auftreten können. Es werden lediglich in der Nähe der Oberfläche toroidale Wirbel an der Innenseite bzw. der Aussenseite des schleierförmigen Strahles gebildet, welche Wirbel hauptsächlich dUrch eine zu Schaum geschlagene obere Schicht der Flüssigkeitsmasse begrenzt sind. Durch diese Bewegung in der Schaumschicht werden die Flüssigkeitsteilchen in schneller Folge wiederholt zu einem groben Schaum geschlagen, wodurch eine äusserst schnelle Gas sättigung in dieser oberen Flüs sigkeitsschicht erreicht wird.
Durch diese Art des Einströmens der Flüssigkeit scheint die Bewegungsenergie des Strahles tatsächlich praktisch vollständig durch die Oberfläche aufgenommen und für die Schaumbildung ausgenutzt zu werden, während die Flüssigkeit im untenliegenden Teil des Gefässes sich mit einer überraschenden Gleichförmigkeit über dem ganzen Querschnitt des Gefässes abwärts bewegt. Dadurch wird das ganze Volumen de's Behälters im höchsten Grad ausgenutzt, indem jedes. Flüssigkeitsteilchen praktisch gleich lang im Gefäss weilt.
Da durch das neue Verfahren eine sehr kleine senkrechte Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Gefäss erzeugt wird, werden allenfalls mitgerissene äusserst kleine Gaslblasen während einer grossen Zeitdauer im Gefäss zurückgehalten, so dass sie, ehe sie zum Auslass gelangen, genug Zeit haben, um sich vollständig in der Flüssigkeit zu lösen.
Es hat sich erwiesen, dass, um eine geeignete Strömung bezüglich der Flüssigkeitsoberfläche zu erzeugen, der schleierförmige, konische Flüssigkeitsstrahl einen stumpfen Spritzwinkel aufweisen soll, vorzugsweise in der Grösse von 110-120 , so dass die Flüssigkeitsteilchen schräg auf die Flüssigkeitsoberfläche, vorzugsweise unter einem Winkel von weniger als 45" auftreffen.
Der konische, schleierförmige Strahl wird durch Auftreffen eines zylindrischen Strahls gegen einen konischen Körper erzeugt, dessen Durchmesser un gefähr gleich dem doppelten Durchmesser des Strah- les ist, um den konischen schleierförmigen Strahl in Richtung der Oberfläche des konischen Körpers zu leiten, während vorteilhafterweise der axiale Abstand a zwischen dem Rand der Düsenöffnung und der Oberfläche des konischen Körpers mindestens gleich dem Radius der Düsenöffnung sein soll.
Es kann der gasgefüllte Raum unter Überdruck oder atmosphärischem Druck stehen. Wird als Gas Luft von atmosphärischem Druck benützt, kann das Gefäss oben offen sein.
Zur Beleuchtung der praktischen Anwendung der Erfindung diene folgendes Ausführungsbeispiel:
Mit einem Gefäss 1, in welches die Flüssigkeit durch das Mundstück 6 mit einer Geschwindigkeit von 4 m/sec gegen einen konischen Körper 7 mit den vorgenannten Abmessungen im Verhältnis zum Mundstück einströmt, könnten 2000 Liter pro Minute mit einem sehr befriedigenden Ergebnis be handelt werden.
Als ein weiteres Beispiel ist eine physikalische Behandlungsvorrichtung genannt, in welcher Wasser Luft in gelöstem Zustand aufnehmen sollte und in welcher nach den bisherigen Verfahren zum Lösen von Luft höchstens etwa 1200 Liter pro Minute behandelt werden konnten. Nachdem das eintretende Wasser gemäss der vorliegenden Erfindung behandelt wurde, konnte mit gleich gutem Ergeb nis die Leistungsfähigkeit bis auf 1900 Liter pro Minute, also um über 50 /o erhöht werden. Es ist schliesslich zu bemerken, dass bei Behandlung von Flüssigkeiten, bei denen ein Lösen des. Gases nicht bis zur Sättigung zu erfolgen hat, nur ein Teil der Totalmenge nach dem vorliegenden Verfahren behandelt zu werden braucht und danach diese behandelte Flüssigkeitsmenge mit dem Rest im Gefäss oder ausserhalb des Gefässes mit der unbehandelten Flüssigkeit gemischt werden kann.