PROCESS FOR MIXING LIQUIDS WITH GASES

Abstract: 1. Process for mixing liquids with gases, for introducing gases into a liquid below its liquid level, in which the gas as well as the liquid are supplied to a nozzle (4) under pressure, characterised in that the liquid jet is introduced by guide means in a manner such that it shrouds at least partially the gas jet at the lastest at the exit end of the nozzle (4) whereupon the dispersion of the gas jet is carried out after ejection into the liquid.

Description: Vorrichtunq für die Vermischung von Flüssigkeiten mit Gasen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Vermischung von Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere zum Eintragen von Gasen in eine Flüssigkeit unterhalb ihres Flüssigkeitsspiegels. Insbesondere für Belüftungseinrichtungen für biologische Stufen von Abwasserreinigungsanlagen ist es von wesentlicher Bedeutung, #ass die in die Flüssigkeit eingebrachte Luft möglichst intensiv mit dem Wasser vermischt wird, um ein für die Tätigkeit von Bakterien geeignetes Milieu zu schaffen und aufrechtzuerhalten. Bekannte Einrichtungen der eingangs genannten Art sehen gesonderte Leitungsführungen für Wasser und Luft vor. Insbesondere ist es bekannt, lediglich einen Gasstrahl unterhalb der Flüssigkeitsoberflache einzublasen. Es ist weiters bereits bekannt, die zu belüftende Flüssigkeit umzuwälzen und gleichfalls unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit in einem Becken wiederum einzustossen, wobei die einzustossende umge wälzt Flüssigkeit das zur Belüftung dienende Gas vor ihrem EinstoBen ansaugen soll, oder vor dem Einstoss in gesonderten Mischkammern intensiv mit dem einzutragenden Gas vermischt wird. Die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles wird somit bei diesen bekannten Einrichtungen zumindest teilweise zum ansaugen bzw. zum Transport des einzubringenden Gases verwendet. Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles besser ausgenutzt werden kann und eine besonders feine und in einfacher Weise regelbare Verteilung des Gases in der Flüssigkeit ergibt. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daB sowohl das Gas als auch die Flüssigkeit unter Druck in die Mischdüse eingebracht werden und daB die Flüssigkeit spStestens am Austrittsende der Düse den Gasstrahl zumindest teilweise ummantelt. Bei einer derartigen Vorrichtung wird der Flüssigkeitsstrahl mit seiner gesamten kinetischen Energie so geformt, dass das gleichzeitig unter Druck zugeführte Gas nach dem Austritt aus der Düse den Flüssigkeitsstrahl durchdringen muss, wobei eine besonders feine Aufteilung des Gasstrahles in feine Gasblasen erfolgt. Die Zerteilung in Gasblasen wird um so effizienter, je mehr kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles beim Zerteilen des Gasstrahles vernichtet werden kann. Es entsteht auf diese Weise ein feinblasiger Mischstrahl, bei welchem die Gasförderung unabhängig von der Flüssigkeitsförderung regelbar wird, da die Wirkung einer derartigen Nischdüse nicht auf dem Injektorprinzip beruht. Die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles wird zur Erzeugung von GrenzflPchen bzw. zur Oberflächenvergrösserung verwendet, wobei die Förderung des Gases nicht durch den Flüssigkeitsstrahl selbst bewirkt wird, sondern lediglich vom Gasdruck abhängig ist. Die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles kann somit zur Ganze zur Verteilung der Gasblasen in der Flüssigkeit herangezogen werden. Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung mündet der Flüssigkeitsstrahl ausserhalb des Luftstrahles und wird insbesondere zu einem im Querschnitt kreisringförmigen Strahl geformt. In einfacher Weise kann hiefür der Flüssigkeitsstrahl, insbesondere der Wasserstrahl, gegen Leiteinrichtungen gerichtet sein. Derartige Leiteinrichtungen können eine gekrümmte, vorzugsweise halbkreis- förmige Oberfläche aufweisen, deren konkave Seite dem Wasserstrahl zugewendet ist, wodurch sich die zumindest teilweise Ummantnlung des Gasstromes ergibt. Die Ausbildung kann aber auch so getroffen sein, dass die Düsenmündung mit der Achse des Wasserzuführungskanales einen spitzen Winkel einschliesst, wobei die Luft bzw. der Sauerstoff über radiale oeffnungen der Wasserzuführungsleitung vor der Düsenmündung zugeführt wird und das in Achsrichtung der Wasserzuführungsleitung zugeführte Wasser vor dem Austritt durch die Düsenmündung gegen die Wand des abgewinkelten Teiles der Wasserzuführungsleitung bzw. der Düsenmündung gerichtet ist. Die Um mantelung des Gasstrahles erfolgt hiebei unmittelbar nach der Stelle, an welcher der Flüssigkeitsstrahl mit der Wandung der Wasserzuführungsleitung bzw. der Düsenmündung kollidiert. Die Ausbildung kann aber auch so getroffen sein, dass die Luftbzw. Sauerstoffzuführungsleitung zumindest in ihrem der Düsenmündung zugewendeten Bereich koaxial mit der Wasserzu führungsleitung angeordnet ist und dass der Innendurchmesser der Wasserzuführungsleitung gröBer ist als der Aussendurch- messer der Luft- bzw. Sauerstozfzuführungsleitung. Bei dieser Ausbildung ergibt sich unmittelbar ein konzentrischer Austritt von Flüssigkeits- und Gasstrahl, wobei der Flüssigkeitsstrahl den Gasstrahl umgibt. Vorzugsweise münden die Luft- bzw. tSauerstoffzuführunas- leitung und die Wasserzufilhrunqsleitunq in der gleichen Radialebene. Alternativ zu einer Abwinkelung der Wasserzuführungsleitung vor der Austrittsdüse kann die Ausbildung so getroffen sein, dass die l.uft- bzw. Sauerstoffzuführungsleitung seitlich an die Wasserzuführungsleitung angeschlossen ist und dass in Strömungsrichtung vor dem Anschluss der Luftbzw. Sauerstoffzuführungsleitung Ablenkeinrichtungen wie z.B. Düsen, Drallkörper od.dgl. in der Wasserzuführungsleitung vorgesehen sind, welche das Wasser vor Verlassen der Mischdüse gegen die Innenwand der Mischdüse richten. Bei einer derartigen Ausbildung wird auf Grund der Strömungsleitkörper eine Kollision des Wesserstrahles mit der Innenwand der Zuführungsleitung bzw. der Düse bewirkt, welche die gewünschte Ummantelung des Gasstrahles ergibt. Eine Ummantelung eines Luftstrahles kann auch in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daR die LuEtzuführungsleitunq in Abstand von wenigstens einer, vorzugsweise wenigstens zwei Wasserdüsen mündet, wobei die Strahlachse der Luftdüse die Strahlachse(n) der Wasserdüse(n) kreuzt und vorzugsweise schneidet, wobei in diesem Fall vorzugsweise die Wasserdüse in einer gemeinsamen Radialebene durch den Luftstrahl angeordnet ist. Der Wasserstrahl wird hiebei vom Luftstrahl erfasst und um den Luftstrahl herum abgelenkt, wodurch sich in der Folge die feine Zerteilung des Gases im Inneren des Behandlungsbeckens ergibt. In allen Fällen soll das Gas bzw. die Luft und die Flüssigkeit unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eingebracht werden, wobei vorzugsweise die Achsen der Düsenmündungen, und wenigstens die Strahlachsen des Luftstrahles, von der vertikalen Richtung abweichend und vorzugsweise im wesentlichen horizontal orientiert sind. Mit derartigen Mischdüsen wird neben einer besonders effizienten Einbringung von Gasen in Flüssigkeit auch der Vorteil erreicht, dass eine Regelung der eingetragenen Gas- bzw. Luftmenge ohne Snderung der einzutragenden Wassermenge in weiten Bereichen ausschliesslich durch Veränderung des Druckes des Gases möglich ist. Bei einer derartigen Regelung werden verschiedene Gasmengen mit einem gleichbleibenden Wirkungsgrad und damit besonders wirtschaftlich in die zu behandelnde Flüssigkeit eingetragen. Durch das Konstanthalten der Wassermenge, welche für jede vorgegebene Düsengeometrie als optimale Betriebswassermenge bestimmt werden kann, lassen sich bei geringster Antriebsleistung lediglich durch Veränderung der Gas- bzw. Luftmenge unterschiedliche Gas- bzw. Luftkonzentrationen erzielen. Es lässt sich somit eine Regelung der Gasmenge bei gleichbleibend hohem Wirkungsgrad der Vermischung der Flüssigkeit mit Gasen erzielen. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer er findungsgemässen Mischdüse, die Fiq. 2 bis 5 abgewandelte Ausführungsformen einer Ausbildung nach Fig. 1, Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VI der Fig. 5, Fig. 7 einen Querschnitt für einen strahl formenden Körper wie er bei einer Ausbildung nach Fig. 1 verwendet werden kann in der gleichen Ansicht wie in Fig. 1, Fig. 8 eine Ansicht des strahlformenden Körpers nach Fig. 7 in Richtung des Pfeiles VIII, Fig. 9 und 10 eine weitere Ausführungsform mit parallel angeordneten Flüssigkeits- und Gasleitungen, wobei Fig. 10 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles X der Fig. 9 darstellt, die Fig. 11 und 12 weitere Ausbildungen von Mischdüsen in Ansichten analog den Fig. 1 bis 5, Fig. 13 und 14 eine weitere Ausführungsform, wobei Fig. 14 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles XIV der Fig. 13 darstellt und Fig. 15 und 16 eine Ausführungsform, bei welcher die Achsen der Mündungen der Wasserdüsen die Achse der Mündung der Luftdüse schneiden, wobei Fig. 16 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles XVI der Fig. 15 darstellt. In Fig. 1 ist in die Wasserzuleitung 1 ein Drallkörper 2 eingesetzt, an welchem ein strahlformender Körper 3 anschliesst. Ein derartiger strahl formender Körper 3 kann beispielsweise den Wasserstrahl zu einem Flachstrahl formen. In jedem Fall aber soll dieser strahlformende Körper 3 eine Ablenkung des Strahles in der Weise ergeben, dass der Wasserstrahl noch vor dem Verlassen der Düse 4 mit der Innenwand 5 des Zuleitungsrohres oder der Düse kollidiert, um auf diese Weise den über die Luftleitung 6 zugeführten Luftstrahl zu ummanteln. Bei der Ausbildung nach Fig. 2 umgibt das Wasser- zuleitungsrohr 1 die Luftzuleitung 6 im Bereich der Düsenmündung 4 konzentrisch, so dass sich unmittelbar eine Ummantelung des Luftstrahles ergibt. Bei der Ausbildung nach Fig. 3 ist das Wasserzuleitungsrohr vor der Düse 4 geknickt, so dass der Wasserstrahl an der Innenwand 5 des Zuleitungsrohres auftreffen muss. Auch durch diese Ausbildung ergibt sich eine zumindest teilweise Ummantelung des über die Luftzuleitung 6 zugeführten Luftstrahles. Bei der Ausbildung nach Fig. 4 ist ein vom strahl formenden Körper 3 in Fig. 1 abweichender strahlformender Körper vorgesehen. Auch hier wird der Wasserstrahl 7 so geformt, dass er vor dem Verlassen der Düse 4 mit der Innenwand 5 des Zuleitungsrohres kollidiert, um die Ummantelung des über die Zuleitung 6 zugeführten Luftstrahles sicherzustellen. Bei der Ausbildung nach Fig. 5 und 6 erfolgt die Luftzu- leitung 6 im stirnseitigen Endbereich der Wasserzuleitung 1 und dieser stirnseitige Endbereich der Wasserzuleitung 1 ist als Leiteinrichtung ausgebildet. Der Wasserstrahl ummantelt bei dieser Ausbildung den Luftstrahl zumindest teilweise und verlässt somit die Stirnseite 8 nahezu laminarströmend mit dem aus der Leitung 6 ausströmenden luftstrom. Auch bei dFebe Ausbildung ebenso wie bei den Ausbildungen nach den Fig. 1 bis 4 wird die kinetische Energie des Wasserstrables in keiner Weise für den Transport der Luft bzw. des Gases herangezogen und die Durchwirbelunq. der Luft mit dem Wasser erfolgt nach dem Austreten aus der Düse bzw. der Stirnseite der Zuführungsleitungen. Bei dem in Fig. 7 und 8 dargestellten strahlformenden Körper 3 wird der Wasserstrahl zu einem kreisrinaförmigen Strahl geformt, wobei der Kreisring lediglich im Bereich der Befestigung des strahl formenden Körpers 3 im Inneren der Wasserzuführungsleitung 1 unterbrochen ist. Bei den Ausbildungen nach Fig. 9 und 1Q ist die Wasserzuführungsleitung 1 parallel zur Gas- bzw. Luftzuführungsleitung 6 angeordnet. Eine derartige Ausbildung lässt sich in einfacher Weise dem Querschnitt und der Grösse des Belüftungsbeckens anpassen, wobei die Luftzuführungsleitung 6 über radiale Kanäle 9 die Wasserzuführungsleitung 1 durchsetzt. Die Wasserzuführungsleitung 1 weist gleichfalls radiale Fortsätze 10 auf, mit welchen das Ende der radialen Kanäle 9 ummantelt wird, so dass sich auch hier eine Ummantelung des Gasstrahles durch den Wasserstrahl ergibt. Die Form der Austrittsöffnungen des Wasser- bzw. Gasstrahles kann in weiten Grenzen variieren. Im Falle der Fig. 11 ist das Mündungsende 11 der Luftzuführunasleitunq 6 trompetenförmig aufgeweitet und von einem analog gestalteten Wasserzuführungsrohr 1 ummantelt. Demgegenüber weist bei der Ausbildung nach Fig. 12 sowohl die Luftzuführungsleitung 6 als auch die Wasserzuführungsleitung 1 nahe ihrem stirnseitigen Ende 12 eine düsenförmige Verengung auf. Bei der Ausbildung nach Fig. 13 und 14 wird über eine seitlich angeschlossene Wasserzuführungsleitung 1 das Wasser in die Luftzuführungsleitunq 6 eingespeist, so dass der Wasserstrahl am Mantel des Luftzuführungsrohres 6 auftrifft und auf diese Weise die gewünschte Ummantelung des Luftstrahles ergibt. Bei der Ausbildung nach Fig. 15 und 16 mündet die Luftzuführungsleitung 6 gesondert von zwei Wasserzuführungsleitungen 1. Die Wasserzuführungsleitungen 1 sind hiebei ip einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wobei die Achsen 13 der Düsenmündungen der Wasserzufübrungsleltungen die Achse 14 der Mündung der Luftzuführungsleitung 6 schneiden. Der Wasserstrahl wird durch die Luft abgelenkt und bewegt sich im Kreis um die Achse 14 der Mündung der Luztzuführungsleitung 6. Auch bei dieser Ausführungsform wird die gesamte kinetische Energie der Wasserstrahlen zum Zerteilen der Luft in feine Bläschen verwendet, und geht somit nicht für den Transport bzw. das Ansaugen der Luft verloren.

Claims: Patentansprüche: 1. Vorrichtung für die Vermischung von Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere zum Eintragen von Gasen in eine Flüssigkeit unterhalb ihres Flüssigkeitsspiegels, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Gas als auch die Flüssigkeit unter Druck in die Mischdüse (4) eingebracht werden und dass die Flüssigkeit spätestens am Austrittsende der Düse (4)den Gasstrahl zumindest teilweise ummantelt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl ausserhalb des Luftstrahles mündet und insbesondere zu einem im Querschnitt kreisringförmigen Strahl geformt ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl, insbesondere der Wasserstrahl, gegen Leiteinrichtungen (5) gerichtet ist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtungen eine gekrümmte, vorzugsweise halbkreisförmige Oberfläche aufweisen, deren konkave Seite dem Wasserstrahl zugewendet ist. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenmündung (4) mit der Achse der Wasserzuführungsleitung (1) einen spitzen Winkel einschliesst, wobei die Luft bzw. der Sauerstoff über radiale Öffnungen (6) der Wasserzuführungsleitung (1) vor der Düsenmündung (4) zugeführt wird und das in Acbsrichtung der Wasserzuführungsleitung (1) zugeführte Wasser vor dem Austritt durch die Düsenmündung (4) gegen die Wand (5) des abgewinkelten Teiles der Wasserzuführungsleitung (1) bzw. der Düsenmündung (4) gerichtet ist (Fig. 3). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft- bzw. Sauerstoffzuführungsleitung (6) zumindest in ihrem der Düsenmündung (4) zugewendeten Bereich koaxial mit der Wasserzuführungsleitung (1) angeordnet ist und dass der Innendurchmesser der Wasserzuführungsleitung (1) grösser ist als der Aussendurchmesser der Luft- bzw. Sauerstoffzuführungsleitung (6) (Fig. 2,8). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft- bzw. Sauerstoffzuführungsleituno (6) und die Wasserzuführungsleitung (1) in der gleichen Radialebene münden. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft- bzw. Sauerstoffzuführungsleitung (6) seitlich an die Wasserzuführungsleitung (1) angeschlossen ist und dass in Stromungsrichtung vor dem Anschluss der Luft- bzw. Sauerstoffzuführungsleitung (6) Ablenkeinrichtungen wie z.B. Düsen (3), Drallkörper od.dgl. in der Wasserzuführungsleitung (1) vorgesehen sind, welche das Wasser vor Verlassen der Mischdüse (4) gegen die Innenwand t5) der Mischdüse (4) richten (Fig. 1, 3, 4). 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführungsleitung (6) in Abstand von wenigstens einer, vorzugsweise wenigstens zwei Wasserdüsen (1) mündet, wobei die Strahlachse (14) der Luftdiise die Strahlachse(n) (13) der Wasserdüse(n) kreuzt und vorzugsweise schneidet. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserdüsen in einer aemeinsamen Radialebene durch den Luftstrahl angeordnet sind (Fig. 15, 16). 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Düsenmündungen (4), und wenigstens die Strahlachse des Luftstrahles, von der vertikalen Richtung abweichend und vorzugsweise im wesentlichen horizontal orientiert sind.

Inventors: SCHWEIZER, MICHEL, DIPL.-ING., VERMES, JOHANN, DIPL.-ING.
Applicants: VOEST-ALPINE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1983
Main classification: B01F3
IPC codes: B01F3, B01F13, B01F5, C02F3