Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung

Abstract

 Es wird eine selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung für Gase und Flüssigkeiten (selbstansaugende Zweiphasenturbine) mit einer drehangetriebenen Hohlwelle (2) zur Gasansaugung angegeben. Das zu dispergierende Gas strömt von der Hohlwelle (2) über hiermit in kommunizierender Verbindung stehende Gaskanäle (3, 3', 3'', 3''') getrennt von der Flüssigkeit zu in Umfangsrichtung beabstandeten Gaskanal-Mündungsöffnungen (4), an welchen die Vermischung von Gas und Flüssigkeit außerhalb der Dispergiervorrichtung (1) erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung befaßt sich mit einer selbstansaugenden, rotierenden Dispergiervorrichtung für Gase und Flüssigkeiten mit einer drehangetriebenen Hohlwelle zur Gasansaugung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine selbstansaugende Zweiphasenturbine zur Durchmischung von Gasen und Flüssigkeiten.

[0002] Bei üblichen Dispergiervorrichtungen oder selbstansaugenden Zweiphasenturbinen der vorstehend genannten Art erfolgt die Gasansaugung über die drehangetriebene Hohlwelle und in den Innenraum der Turbine wird auch Flüssigkeit eingeleitet, so daß die Durchmischung von Gas und Flüssigkeit innerhalb des Turbinenraums erfolgt. Eine solche selbstansaugende Zweiphasenturbine arbeitet bis zu einem Phasenverhältnis Gas/Flüssigkeit von etwa 25/30 % zufriedenstellend. Bei größeren Phasenverhältnissen ist die selbstansaugende Zweiphasenturbine überflutet und selbst bei einer Drehzahlsteigerung ist kein höherer Leistungseintrag mehr möglich, da die angesaugte Gasmenge in Ruhe verharrt und ein höherer Stoffübergang nicht mehr möglich ist. Daher ist die übliche, selbstansaugende Zweiphasenturbine bauartbedingt hinsichtlich des Stoffübergangs durch das vorgegebene Phasenverhältnis Gas/Flüssigkeit beschränkt.

[0003] Die Erfindung zielt daher darauf ab, unter Überwindung der zuvor geschilderten Schwierigkeiten eine leistungsstarke, selbstansaugende Dispergiervorrichtung für Gase und Flüssigkeiten bzw. Zweiphasenturbine bereitzustellen, welche einen höheren Stoffübergang bei möglichst günstigen Leistungs-/Eintragsverhältnissen und Drehzahl der Dispergiervorrichtung gestattet.

[0004] Nach der Erfindung wird hierzu eine selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung für Gase und Flüssigkeiten mit einer drehangetriebenen Hohlwelle zur Gasansaugung bereitgestellt, welche sich dadurch auszeichnet, daß das zu dispergierende Gas von der Hohlwelle über hiermit in kommunizierender Verbindung stehende Gaskanäle getrennt von der Flüssigkeit zu in Umfangsrichtung beabstandeten Gaskanal-Mündungsöffnungen strömt, an welchem die Vermischung von Gas und Flüssigkeit außerhalb der Dispergiervorrichtung erfolgt.

[0005] Bei der erfindungsgemäßen, selbstansaugenden rotierenden Dispergiervorrichtung sind daher mehrere Gaskanäle mit der Hohlwelle verbunden, die über Gaskanal-Mündungsöffnungen eine Ausleitung des zu dispergierenden Gases gestatten. An den Gaskanal-Mündungsöffnungen wird durch den Strömungsabriß ein Unterdruck erzeugt, welcher ermöglicht, daß das Gas aus dem Gasraum entgegen der statischen Flüssigkeitshöhe über der Dispergiervorrichtung angesaugt wird. Somit wird eine ständige Gasansaugung bei der erfindungsgemäßen Dispergiervorrichtung unabhängig von dem Phasenverhältnis Gas/Flüssigkeit aufgrund der Strömungsabrißerscheinung an der Gaskanal-Mündungsöffnung gewährleistet. Ferner erfolgt bei der erfindungsgemäßen Dispergiervorrichtung die Vermischung von Gas und Flüssigkeit außerhalb des Innenraums der Dispergiervorrichtung, nämlich in dem Bereich der Gaskanal-Mündungsöffnungen, da die bei der erfindungsgemäßen Dispergiervorrichtung vorgesehenen Gaskanäle nur zu dispergierendes Gas und keine Flüssigkeit führen. Bei der Drehbewegung der Dispergiervorrichtung erzeugen die Gaskanäle ferner eine intensive Flüssigkeitsförderung, Flüssigkeitsbewegung und Flüssigkeitsumwälzung, so daß man einen hohen Stoffübergang durch die intensive Kontaktierung der bewegten Flüssigkeit mit dem angesaugten und dispergierten Gas erreicht.

[0006] Durch die getrennte Führung des zu dispergierenden Gases innerhalb der selbstansaugenden Dispergiervorrichtung nach der Erfindung ist daher die Dispergiervorrichtung nach der Erfindung keinen Beschränkungen durch vorbestimmte Phasenverhältnisse Gas/Flüssigkeit unterworfen. Somit erhält man nach der Erfindung eine äußerst leistungsfähige und einen hohen Stoffübergang verwirklichende selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung bzw. selbstansaugende Zweiphasenturbine.

[0007] Eine weitere Leistungssteigerung einer solchen selbstansaugenden Dispergiervorrichtung und weitere Verbesserungen hinsichtlich des Wirkungsgrades lassen sich durch entsprechende Gestaltungen der Gaskanäle verwirklichen. Hierfür gibt es zahlreiche Möglichkeiten.

[0008] Bei einer Ausführungsform verlaufen die Gaskanäle etwa radial zur Hohlwelle. Alternativ können die Gaskanäle unter einem spitzen Winkel zur Radialen verlaufen, welcher vorzugsweise in einem Bereich von größer 0 und kleiner 25° liegt und insbesondere etwa 15° beträgt.

[0009] Weiterhin können die Gaskanäle in Form von Rührflügeln ausgebildet werden, um die Flüssigkeitsförderung hierdurch zu intensivieren.

[0010] Vorzugsweise sind bei der selbstansaugenden, rotierenden Dispergiervorrichtung nach der Erfindung die Gaskanäle mit einem gekrümmten Verlauf ausgebildet, so daß sie eine strömungsgünstige Profilierung hinsichtlich einer intensiven Flüssigkeitsförderung haben. Der Krümmungsradius hierbei kann in einem Bereich von D₂3 bis 3D₂, vorzugsweise etwa bei etwa D₂/2 liegen. Mit D₂ ist der größte Durchmesser der Dispergiervorrichtung bezeichnet, welcher zwischen den Außenkanten von zwei gegenüberliegenden Gaskanalmündungsöffnungen gemessen wird.

[0011] Insbesondere können die Gaskanäle einen Querschnitt haben, welcher ausgehend von der Hohlwelle zur Gaskanalmündungsöffnung größer wird. Hierdurch läßt sich die Ansaugung von Gas aus dem Gasraum aufgrund der Strömungsabrißerscheinung und des hierdurch erzeugten Unterdrucks im Gaskanalsystem verstärken.

[0012] Insbesondere liegt der Öffnungsquerschnitt jeder Gaskanal-Mündungsöffnung in einer Ebene unter einem spitzen Winkel zur Gaskanalwandung, welcher vorzugsweise in einem Bereich von 30° bis 60° liegen und insbesondere etwa 50° beträgt. Hierdurch läßt sich der Stoffübergang aufgrund der vergrößerten Kontaktflächen noch weiter verbessern.

[0013] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der selbstansaugenden, rotierenden Dispergiervorrichtung sind die Gaskanäle in regelmäßigen Winkelabständen in Umfangsrichtung angeordnet, um eine möglichst in Umfangsrichtung gleichförmige Durchmischung von Gas und Flüssigkeit zu gewährleisten.

[0014] Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der selbstansaugenden, rotierenden Dispergiervorrichtung nach der Erfindung ist oberseitig und unterseitig der Gaskanäle eine Deckscheibe vorgesehen, welche axial zur drehangetriebenen Hohlwelle beabstandet sind und zwischen denen im Zusammenwirken mit den Gaskanälen Kammern gebildet werden. Die unterseitige Deckscheibe kann hierbei eine geschlossene und mit der Hohlwelle verbundene Fläche bilden. Die oberseitige Deckscheibe bildet vorzugsweise einen Flüssigkeits-Ansaugspalt im Zusammenwirken mit der Außenfläche der Hohlwelle. Über diesen Ansaugspalt wird Flüssigkeit in die Kammern zwischen den beiden axial beabstandeten Deckscheiben und den Außenflächen der Gaskanäle eingeleitet, der eine intensive Agitationsbewegung zur Verstärkung des Stoffübergangs erteilt wird.

[0015] Vorzugsweise sind die Gaskanal-Mündungsöffnungen entgegen der Drehrichtung der Hohlwelle gerichtet, so daß die intensive Durchmischung von Gas und Flüssigkeit an dem strömungsabgewandten Bereich der Gaskanäle erfolgt.

[0016] Die Erfindung wird nachstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1

eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer selbstansaugenden, rotierenden Dispergiervorrichtung oder einer selbstansaugenden Zweiphasenturbine nach der Erfindung,

Fig. 2

eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsvariante einer Dispergiervorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3

eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsvariante einer Dispergiervorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 4

eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Dispergiervorrichtung nach der Erfindung.

[0017] In Figur 1 ist in einer perspektivischen Ansicht eine insgesamt mit 1 bezeichnete selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung oder eine selbstansaugende Zweiphasenturbine gezeigt. Die Dispergiervorrichtung 1 weist eine zentrale Hohlwelle 2 auf, welche über einen nicht näher dargestellten Drehantrieb in die mit dem Pfeil angedeutete Drehrichtung angetrieben wird. In den von der Hohlwelle 2 gebildeten Hohlraum wird Gas oder zu dispergierendes Gas angesaugt. Mit dem durch die Hohlwelle 2 begrenzten Innenraum stehen mehrere in Umfangsrichtung vorzugsweise in regelmäßigen Winkelabständen angeordnete Gaskanäle 3 in kommunizierender Verbindung, welche Gaskanal-Mündungsöffnungen 4 haben, die bei dem dargestellten Beispiel entgegen der Drehrichtung der Hohlwelle 2 gerichtet sind. Oberseitig und unterseitig ist bei der Dispergiervorrichtung 1 jeweils eine Deckscheibe 5, 6 angeordnet. Die unterseitige Deckscheibe 6 bildet eine geschlossene Fläche und ist mit der Außenwand der Hohlwelle 2 und den entsprechenden Außenfläche der Gaskanäle 3 fest verbunden. Die oberseitige Deckscheibe 5 ist als Ringkörper ausgebildet und umgibt die Hohlwelle 2 konzentrisch und bildet zwischen der Außenwand der Hohlwelle 2 einen Ringspalt 7, welcher zur Flüssigkeitsansaugung in die zwischen den beiden Deckscheiben 5 und 6 und die Gaskanäle 3 begrenzten Kammern 8 dient. Die Deckscheiben 5 und 6 können integral mit den Gaskanälen 3 entsprechend verbunden sein. Der größte Außendurchmesser der Dispergiervorrichtung 1 ist mit D₂ bezeichnet und wird zwischen den Außenkanten von zwei gegenüberliegenden Gaskanalmündungsöffnungen gemessen.

[0018] Bei der erfindungsgemäßen Dispergiervorrichtung 1 wird durch den Strömungsabriß an den Gaskanal-Mündungsöffnungen 4 ein Unterdruck erzeugt, durch welchen Gas aus dem Gasraum und den Gaskanälen 3 entgegen der statischen Flüssigkeitshöhe über der Dispergiervorrichtung 1 angesaugt wird. Dieses angesaugte und zu dispergierende Gas wird innerhalb der Dispergiervorrichtung 1 in einem Leitungssystem ohne Vermischung mit Flüssigkeit über die Gaskanal-Mündungsöffnungen 4 ausgeleitet und es erfolgt eine Vermischung von zu dispergierendem Gas und Flüssigkeit außerhalb der Dispergiervorrichtung 1 im Bereich um die Gaskanal-Mündungsöffnungen 4. Die Gaskanäle 3 bewirken bei der Drehbewegung der Hohlwelle 2 eine intensive Flüssigkeitsförderung und Agitation auch im Zusammenwirken mit den Kammern 8. Somit wird ein intensiver Kontakt zwischen dem über die Gaskanal-Mündungsöffnungen 4 austretenden, über die Hohlwelle 2 selbstangesaugten Gas und der intensiv bewegten Flüssigkeit um die Gaskanal-Mündungsöffnungen 4 erreicht. Hierdurch erhält man einen hohen Stoffübergang bei der erfindungsgemäßen Dispergiervorrichtung 1.

[0019] Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Dispergiervorrichtung 1 haben die Gaskanäle 3 einen gekrümmten Verlauf und haben eine rührflügelähnliche Gestalt. Hierdurch kann die Flüssigkeitsförderung weiter verstärkt werden. Der Krümmungsradius liegt in einem Bereich D₂/3 bis 3D₂, vorzugsweise bei etwa D₂/2.

[0020] Wie ebenfalls aus Figur 1 zu ersehen ist, haben die Gaskanäle 3 einen Querschnitt, welcher ausgehend von der Anschlußverbindung mit der Hohlwelle 2 in Gasströmungsrichtung größer wird. Hierdurch läßt sich der Stoffübergang von Gas zu Flüssigkeit noch weiter verstärkten. Auch erhält man ferner noch dadurch günstige Stoffübergangsverhältnisse, daß die Gaskanal-Mündungsöffnungen 4 entgegen der Drehrichtung der Hohlwelle 2 gerichtet sind.

[0021] Bei der Ausführungsform der in Figur 2 dargestellten Dispergiervorrichtung 1 sind im wesentlichen die Grundkonstruktionselemente übereinstimmend mit der Ausführungsform nach Figur 1 ausgelegt. Diese Teile werden daher nachstehend nicht nochmals näher erläutert, sondern lediglich die Unterschiede gegenüber der Ausgestaltung nach Figur 1.Im wesentlichen haben nur die Gaskanäle 3' eine von Figur 1 abweichende Ausgestaltungsform.

[0022] Wie aus Figur 2 zu ersehen ist, haben die Gaskanäle 3' einen geradlinigen Verlauf und verlaufen unter einem spitzen Winkel α zur Radialen. Dieser spitze Winkel α liegt vorzugsweise in einem Bereich von größer 0 und kleiner 25° und beträgt vorzugsweise etwa 15°. Auch diese Gaskanäle 3' haben wie in Figur 1 einen Querschnitt, welcher ausgehend von der Hohlwelle 2 zur Gaskanal-Mündungsöffnung 4 größer wird. Der Öffnungsquerschnitt jeder Gaskanal-Mündungsöffnung 4 liegt in einer Ebene unter einem spitzen Winkel β zur Gaskanalwandung, welcher vorzugsweise innerhalb eines Winkelbereiches von 30° bis 60° liegt und insbesondere etwa 50° beträgt.

[0023] Die Dispergiervorrichtung nach Figur 3 weist ebenfalls in Umfangsrichtung in regelmäßigen Winkelabständen angeordnete Gaskanäle 3'' auf, welche ähnlich wie bei Figur 2 einen geradlinigen Verlauf haben sowie einen Querschnitt besitzen, welcher ausgehend von der Hohlwelle 2 zur Gaskanal-Mündungsöffnung 4 größer wird. Auch ist der Öffnungsquerschnitt jeder Gaskanal-Mündungsöffnung 4 in einer Ebene unter einem spitzen Winkel β zur Gaskanalwandung angeordnet, welcher vorzugsweise in einem Bereich von 30° bis 60° liegt und insbesondere etwa 50° beträgt. In Abweichung von der Ausführungsform nach Abbildung 2 verlaufen aber die Gaskanäle 3'' etwa radial zur Hohlwelle 2. Ansonsten stimmen alle weiteren Einzelheiten der in Figur 3 gezeigten Dispergiervorrichtung 1 im wesentlichen mit jenen überein, welche im Zusammenhang mit Figur 1 zuvor erläutert wurden.

[0024] Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante in Form einer Abwandlung gegenüber der Ausführungsform der Dispergiervorrichtung 1 nach Figur 3. In Abweichung hiervon haben die in dem hohlen Innenraum der Hohlwelle 2 in kommunizierender Verbindung stehenden Gaskanäle 3''' einen im wesentlichen konstanten Querschnitt über ihren gesamten Verlauf hinweg ausgehend von der Hohlwelle 2 bis zur Gaskanal-Mündungsöffnung 4. Ansonsten verlaufen die Gaskanäle 3''' ebenfalls im wesentlichen radial zur Hohlwelle 2 und besitzen jeweils einen Öffnungsquerschnitt im Bereich der Gaskanal-Mündungsöffnung 4 in einer Ebene unter einem spitzen Winkel β zur Gaskanalwandung.

[0025] Die Erfindung ist natürlich nicht auf die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen und deren Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlaufen. Insbesondere sind Kombinationen von unterschiedlich ausgestalteten Gaskanälen mit entsprechend unterschiedlicher Anordnung zur Hohlwelle möglich, wobei insbesondere auch kombinierte Verläufe von geradlinig und gekrümmt in Betracht kommen sowie auch Kombinationen mit abgestuft verlaufenden Querschnitten der Gaskanäle. Alle diese Ausführungsvarianten und Weiterbildungen werden vom Schutzgegenstand nach der Erfindung mit umfaßt.

Bezugszeichenliste

[0026] 

1

Dispergiervorrichtung insgesamt

2

Hohlwelle

3

Gaskanäle in Figur 1

3'

Gaskanäle in Figur 2

3''

Gaskanäle in Figur 3

3'''

Gaskanäle in Figur 4

4

Gaskanal-Mündungsöffnungen

5

Deckscheibe oben

6

Deckscheibe unten

7

Ringspalt

8

Kammer

D₂

Außendurchmesser der Dispergiervorrichtung 1

Ansprüche

1. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung für Gase und Flüssigkeiten (selbstansaugende Zweiphasenturbine) mit einer drehangetriebenen Hohlwelle (2) zur Gasansaugung, dadurch gekennzeichnet, daß das zu dispergierende Gas von der Hohlwelle (2) über hiermit in kommunizierender Verbindung stehende Gaskanäle (3, 3', 3'', 3''') getrennt von der Flüssigkeit zu in Umfangsrichtung beabstandeten Gaskanal-Mündungsöffnungen (4) strömt, an welchen die Vermischung von Gas und Flüssigkeit außerhalb der Dispergiervorrichtung (1) erfolgt.

2. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (3'', 3''') etwa radial zur Hohlwelle (2) verlaufen.

3. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (3') unter einem spitzen Winkel (α) zur Radialen verlaufen, welcher vorzugsweise in einem Bereich von größer 0 und kleiner 25° liegt, und insbesondere etwa 15°, beträgt.

4. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (3, 3',3'', 3''') in Form von Rührflügeln ausgebildet sind.

5. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (3) einen gekrümmten Verlauf haben.

6. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius in einem Bereich von D₂/3 bis 3D₂, vorzugsweise bei etwa D₂/2 liegt, wobei D₂ der größte Durchmesser zwischen den Außenkanten von zwei gegenüberliegenden Gaskanalmündungsöffnungen ist.

7. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (3, 3', 3'') einen Querschnitt haben, welcher ausgehend von der Hohlwelle (2) zur Gaskanal-Mündungsöffnung (4) größer wird.

8. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt jeder Gaskanal-Mündungsöffnung (4) in einer Ebene unter einem spitzen Winkel (β) zur Gaskanalwandung angeordnet ist, welcher vorzugsweise in einem Bereich von 30° bis 60° liegt, insbesondere etwa 50° beträgt.

9. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (3, 3', 3'', 3''') in regelmäßigen Winkelabständen in Umfangsrichtung angeordnet sind.

10. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanal-Mündungsöffnungen (4) entgegen der Drehrichtung der Hohlwelle (2) gerichtet sind.

11. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberseitig und unterseitig der Gaskanäle (3, 3', 3'', 3''') eine Deckscheibe (5, 6) vorgesehen ist.

12. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die oberseitige Deckscheibe (5) einen Flüssigkeitsansaugspalt (7) im Zusammenwirken mit der Außenfläche der Hohlwelle (2) bildet.

13. Selbstansaugende, rotierende Dispergiervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die unterseitige Deckscheibe (6) eine geschlossene und mit der Außenfläche der Hohlwelle (2) verbundene Fläche bildet.

Zeichnung