DE1923446A1

DE1923446A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Belueften von in einem Behaelter befindlichen Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1923446A1
Application number: DE19691923446
Authority: DE
Inventors: Nagel Dr-Ing Otto; Platz Dr Rolf; Fuchs Dr Werner
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1969-05-08
Filing date: 1969-05-08
Publication date: 1970-11-12
Also published as: JPS503021B1; FR2047493A5; CA947639A; BE750123A; GB1303163A; NL7006643A

Description

Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG 1923446

Unser Zeichen: O.Z. 26 17O Ms/GP 67OO Ludwigshafen, 5.5.1969

Verfahren und Vorrichtung zum Belüften von in einem Behälter

befindlichen Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Belüften von in einem Behälter befindlichen Flüssigkeiten, insbesondere Gärlösungen und Abwässern.

Zur Aufrechterhaltung der biologischen Vorgänge im Wasser ist eine ausreichende Konzentration von Sauerstoff im Wasser nötig. Bei hohem Sauerstoffbedarf reicht die Sauerstoffmenge, die durch Diffusion aus der Luft durch die Wasseroberfläche in das Wasser gelangt, nicht mehr aus. Es sind nun schon lange Wege bekannt, um die Sauerstoffkonzentration im Wasser durch mechanische Maßnahmen zu erhöhen. Bei Forellenteichen z.B. gestaltet man den Zufluß des Wassers derart, daß Luft mit dem zufließenden Wasser unter die Oberfläche des Wassers gerissen wird. Bei kleineren Becken und Aquarien preßt man Luft mittels mechanischer Pumpen durch das Wasser. Der größte Teil der geforderten Luft entweicht dabei aber ungenutzt.

Solche Verfahren sind also energetisch äußerst ungünstig. Man kann sie nur durchführen, wenn wie im Falle der Forellenteiche ein Frischwasserzufluß in ausreichender Menge kostenlos zur Verfügung steht oder die Anlagen so klein sind, daß die Energiekosten gering sind. Trotzdem verbleibt der Nachteil, daß Gaskompressoren im Vergleich zu Flüssigkeitspumpen in größerem Maße reparaturanfällig sind. Ferner ist bei den bekannten Belüftungsmethoden die vom Wasser aufgenommene Sauerstoffmenge jsetir, gering, so daß der größte Teil der eingeführten LUft wieder ungenutzt aus dem Wasser

.?■■"-■-entweicht. Pie aufgenommene Sauerstoffmenge hängt ja außer von der Konzentrationsdifferenz in Wasser und Luft noch von der Oberfl äcne der Grenzschicht zwischen Luft und Wasser ab. Auf diese 'Oberfläche, d.h. auf die Blasengröße, hat man aber bei den be-..kannten Belüftungsmethoden praktisch keinen Einfluß.

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Hieraus ergab sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die es gestatten, ohne Verwendung von Gaskompressoren Luft und damit Sauerstoff in feinsjer Verteilung mit hohem Wirkungsgrad in weit regelbarem Bereich in eine Flüssigkeit einzubringen. Dabei sollte als Energiequelle statt eines Gaskompressors eine weit weniger störanfällige Flüssigkeitspumpe verwendet werden, falls kein natürlicher Flüssigkeitszulauf vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Belüftungsveifahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der Flüssigkeit zuzuführende Luft mit Hilfe eines mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/sec aus einer Düse austretenden Flüssigkeitsstrahles in einer innerhalb des Behälters gelegenen Mischzone im Durchflußverfahren mit einer Teilmenge der im Behälter befindlichen Flüssigkeit vorgemischt und anschließend in die im Behälter befindliche restliche Flüssigkeitsmenge ausgetragen wird.

Die für die Durchführung dieses Verfahrens benutzte Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine von oben in den Behälter hineinragende, unterhalb des Flüssigkeitsspiegels mündende Düse zur Zuführung von Flüssigkeit, ein koaxial zur Düse angeordnetes, diese mit Abstand umgebendes Luftzuführungsrohr und ein im Querschnitt größer als das Luftzuführungsrohr ausgebildetes, koaxial zur Düse unterhalb des Flüssigkeitsspiegels mit Abstand zu diesem angeordnetes Mischrohr aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in der Zeichnung in einem Ausführutigsbeispiel schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Strahldüse im folgenden näher beschrieben.

In einem flüssigkeitsgefüllten Behälter 1, in dem sich der Flüssigkeitsspiegel 2 eingestellt hat, ist eine Düse 3 zur Zuführung von Flüssigkeit
1 hineinragt und
Koaxial zur Düse

derart eingebaut, daß sie; von oben in den Behälter; kurz unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 2 mündet J ist ein - die Düse mit radialem Abstand Umgeben- >■

des Luft zuführungs rohr 4 angeordnet, das mit einem Ende ebenfalls in die Flüssigkeit eintaucht und dessen anderes Ende nach oben zum Gasraum offen, ist. Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 2 ist im Abstan^jpv ,diesem ein Mischrqhr 5 angeordnet und koaxial *^ 009846/1725 ,3

zur Düse 3 ausgerichtet. Der Querschnitt des Mischrohres 5 ist dabei größer gewählt als der Querschnitt des Luftzuführungsrohres 4. Bei Rohren mit kreisförmigem Querschnitt sollte der Durchmesser des Mischrohres 5 vorteilhafterweise etwa das 2-bis 20-fache des Durchmessers der Düse 3 betragen. Die Länge des Mischrohres 5 richtet sich im wesentlichen nach der Größe des flüssigkeitsgefüllten Behälters 1 und der Geschwindigkeit der durch die Düse 3 eingeführten Flüssigkeit und sollte größenordnungsmäßig das 2- bis 3Ofache seines Durchmessers"betragen .

Zum Betrieb der Strahldüse läßt man aus der Düse 3 Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 bis 100 m/sec, je nach Größe des Behälters 1 und der gewünschten zuzusetzenden Sauerstoffmenge, in die im Behälter 1 befindliche Flüssigkeit eintreten. Dieser Flüssigkeitsstrahl saugt aus dem LuftzufUhrungsrohr 4 Luft an und reißt diese mit in die im Behälter 1 befindliche Flüssigkeit. Die mit Luft beladene Flüssigkeit wird nun beim Durchtritt durch die als Mischrohr 5 ausgebildete Mischzone intensiv mit einem Teil der im Behälter befindlichen Flüssigkeit vermischt, die infolge einer sich um das Mischrohr ausbildenden Ringströmung das Mischrohr von oben nach unten durchläuft und dieses Gemisch anschließend nach unten in die im Behälter befindliche restliche Flüssigkeit ausgetragen.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Strahldüse wird die durch das LuftZUfUhrungsrohr angesaugte und in die Flüssigkeit mitgerissene Luft- fein zerteilt, wobei durch die extrem große Kontaktfläche zwischen Luft und Flüssigkeit eine, rasche und weitgehend vollständige AufSättigung der Flüssigkeit mit Luft erfolgt, während dieser Vorgang beim Durchleiten der Luft durch die Flüssigkeit allein unter Ausnutzung des Auftriebs wegen sehr viel größeren Blasendurchmessers vergleichsweise langsam und unvollständig abläuft. Um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Strahldüse ein Raumteil Luft in der Flüssigkeit zu verteilen, müssen je nach Strömungsgeschwindigkeit 0,1 bis 2 Raumteile Flüssigkeit mit Hilfe der Düse 3 dem Behälter 1 zugeführt werden. Steht die der Düse 3 zuzuführende Flüssigkeit • nicht mit ausreichend natürlichem Gefälle zur Verfugung.^ so \kann

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man die Flüssigkeit mit einer Pumpe zuführen und dabei zweckmäßigerweise dem Behälter 1 entnehmen, also im Kreislauf durch den Behälter 1 führen. Die gegenüber Flüssigkeitspumpen im Betrieb und Wartung sehr viel aufwendigeren Gaskompressoren werden nicht benötigt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Strahldüse können außer Luft auch andere Gase in Flüssigkeiten verteilt werden. Weitere Einzelheiten über die Wirkungsweise und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Strahldüse können den folgenden Beispielen entnommen werden.

Beispiel 1

Der in der Zeichnung dargestellte Behälter 1 wurde mit 2 Liter Flußwasser von 21⁰C gefüllt. Die Füllhöhe betrug 30 cm. Die Düse 3 hatte eine kreisförmige Austrittsöffnung von 1 mm Durchmesser und war von einem Luftzuführungsrohr 4 mit einem Durchmesser von 5 mm umgeben. Die Breite des entstehenden Ringspaltes betrug 1 mm. Das Mischrohr 5 war ebenfalls zylindrisch ausgeführt, hatte eine lichte Weite von 12 mm und eine Länge von 100 nun. Das Luftzuführungsrohrchen 4 war mit einer Meßvorrichtung für die zugeführte Luft versehen. Der Düse 3 wurden nun 60 Liter/ Stunde Wasser mit einer Geschwindigkeit von 13·1 m/sec zugeführt. Von diesem Wasserstrahl wurden 100 Liter/Std. Luft mitgerissen und über das Mischrohr 5 intensiv mit der in dem Behälter 1 befindlichen Flüssigkeit vermischt. Über einen Siphon 6 wurden am Boden des Behälters 60 Liter/Std. Wasser abgezogen und der Sauerstoffgehalt des abfließenden Wassers coulombmetrisch bestimmt. Es zeigte sich, daß'innerhalb von 3 Minuten nach Versuchsbeginn der Sauerstoffgehalt des Wassers .von 1,0 mg/Liter Wasser auf 8,0 mg/Liter Wasser gestiegen war, und damit etwa den Sättigungs- ■ wert des Flußwassers bei der vorgegebenen Temperatur erreicht hatte.

In einem Vergleichs versuch wurden über das Luftzuführungsrohr 4 100 Liter/Std. Luft mit einer Geschwindigkeit von 2,2 m/sec in den Behälter 1 eingeführt und 60 Liter/Std. Wasser durch ein 6 mm weites Rohr außerhalb der Düse 3 zugegeben. Der Sauerstoffgehalt des durch den Siphon 6 abfließenden Wassers war nach 15 Minuten Versuchsdauer erst um weniger als 1 mg/Liter Wasser von Anfangs- wert von 1,0 mg/Liter Wasser angestiegen. ₌

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In einem zweiten Vergleichsversuch wurden 100 Liter/Std. Luft mittels einer Fritte der Größe G 2 auf den Boden des Behälters 1 und von dort aufgrund des Auftriebs durch die im Behälter 1 befindliche Flüssigkeit geleitet, über die Düse > wurden dem Behälter 1 60 Liter/Std. Wasser zugeführt, wobei das Luftzuführungsrohr 4 abgespertt war. Nach 30 Minuten Versuchsdauer hatte sich die Sauerstoffkonzentration von anfänglich 1,1 mg/ Liter Wasser erst auf 4,4 mg/Liter Wasser erhöht.

Beispiel 2

In zwei zylindrische Reaktoren von 100 mm Durchmesser und 1 500 min Länge wurden jeweils 8 Liter einer 5#igen Glucose-Lösung gefüllt und 20 g Bäckerhefe zugegeben. Beide Apparate wurden durch einen Wassermantel und Thermostaten auf 32°C gehalten und mit 20 Liter Luft/Std, begast. Im Reaktor 1 wurde die Luft am Boden durch eine Glasfritte G 1 eingeleitet, im Reaktor 2 erfolgte die Zuführung der Luft über die in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Strahldüse. 180 Liter der Reaktionsmischung wurden umgepumpt und traten durch eine Düse von 1 mm Durchmesser aus.

Als Maß für die Gärungsgeschwindigkeit wurde nach I5 Stunden der COg-Gehalt im Abgas der Reaktoren bestimmt. Er betrug im Reaktor 1,04 %, im Reaktor 2 2,6 %. .

Beispiel J>

Der in Beispiel 2 genannte Versuch wurde wiederholt, aber statt Glucose 7 Liter Rohrzucker in 5$iger Lösung eingesetzt. Die Hefemenge betrug 16 g. Nach 2 Stunden betrug der COρ-Gehalt im Abgas des Reaktors 1 0,007 %, im Reaktor 2 bei Verwendung der Strahldüse dagegen I,j55 %,

Beispiel 4

In dem Reaktor 2 des Beispiels 2 wurden 8 Liter Nährlösung mit einer Bakterienmischkuiturlosung versetzt^, di© 40,5 rag Bakterien

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Die Nährlösung enthielt außerdem (in 1 1 Trinkwasser):

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0,2	g	MgSO₄ · 7	H₂O
0,09	g	KH₂PO₄
0,02	g	CaSO₄ · 2	H₂O
0,002	g	PeSO₄ · 7	H₂O
0,0004	g	Na₂HPO₄
0,00008	g	MnSO₄ · 2	H₂O
0,0004	g	CuSO₄ · 5	H₂O
0,0004	g	H₃BO₃
Qi0002	g	(NH₄)₂Mo0₄
2	g	NH₄NO₃

Die Lösung wurde auf 35°C gehalten und mit 25 Liter/Stunde
Luft und 10 Liter/Stunde Methan über die erfindungsgemäße
Strahldüse begast. Nach 24 Stunden hatte die Bakterienkonzentration auf 450 mg zugenommen. Die Menge wurde durch Abzentrifugieren bestimmt.

Zum Vergleich wurde parallel dazu die gleiche Nährlösung mit
der gleichen Bakterienmenge aus derselben Kultur mit den gleichen Oasmengen ebenfalls bei 35°C in einer Blasensäule begast. Die Bakterienmenge hatte hierbei nach ebenfalls 24 Stunden nur auf 214 mg zugenommen.

Aus den Beispielen geht eindeutig hervor, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Begasungsverfahrens und der zur Durchführung
dieses Verfahrens entwickelten Strahldüse durch die Schaffung extrem großer Kontaktflächen zwischen der jeweils begasten
Flüssigkeit und der eingeleiteten Luft eine sehr viel raschere und vollständigere AufSättigung der Flüssigkeit mit Luft erfolgt, als mit Hilfe der bisher bekannten Begasungsveifehren.

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Claims

- γ - ο.ζ. 26 i7i923446 Patentansprüche

1. Verfahren zum Belüften von in einem Behälter befindljöien Flüssigkeiten, insbesondere Gärlösungen und Abwässern, dad urch gekenn ze i ohne t, daß die der Flüssigkeit zuzuführende Luft mit Hilfe eines mit. einer Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/sec aus einer Düse austretenden Flüssigkeitsstrahles in einer innerhalb des Behälters gelegenen Mischzone im Durchflußverfahren mit einer Teilmenge der im Behälter befindlichen Flüssigkeit vorgemischt und anschließend in die im Behälter befindliche restliche Flüssigkeitsmenge ausgetragen wird.

2. Strahldüse zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine von oben in den Behälter (1) hineinragende, unterhalb des FlUssigkeitsspiegels (2) mündende Düse (3) zur Zuführung von Flüssigkeit, ein koaxial zur Düse angeordnetes, diese mit Abstand umgebendes LuftzufUhrungsrohr (4) und ein im Querschnitt großer als das LuftzafUhrungsrohr ausgebildetes, koaxial zur Düse unterhalb des Flüssigkeitsspiegels mit Abstand zu diesem angeordnetes Mischrohr (5)·

Badische Anilin- ft Soda-Fabrik AG

Zelehn.

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ORIGINAL

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