CH669185A5 - Verfahren zum aufbereiten von fluessigkeiten. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 6.

Unter Aufbereitung wird im folgenden die Abtötung von Kleinlebewesen (z. B. Bakterien, Viren, Pilze) und/oder chemi- sche Reaktionen mit der Flüssigkeit oder in ihr enthaltener Stoffe verstanden. Mit dem Begriff Aufbereitungsmittel wird ein gasförmiger Stoff bezeichnet, der im wesentlichen reiner Form oder als Komponente eines Gasgemisches obgenannte Aufbereitungsaufgabe bewältigt.

Die Aufbereitung von Flüssigkeiten mittels gasförmiger Aufbereitungsmittel ist bekannt. Quell- und Oberflächenwasser wird beispielsweise mittels Ozon oder Chlordioxyd entkeimt. Rein chemischer Natur sind Entfärbungsreaktionen oder Syntheseschritte bei der Behandlung spezifischer Flüssigkeiten.

Beim Einsatz gasförmiger Aufbereitungsmittel stellen jeweils die Stofftransportvorgänge an der Phasengrenzfläche sowie die z. T. geringen Konzentrationen der aktiven Aufbereitungskomponente die leistungslimitierenden Faktoren dar. Entsprechende Aufbereitungsverfahren bedingen daher gewisse Minimalkontakt- und Einwirkzeiten zwischen der Flüssigkeit und dem Aufbereitungsmittel.

Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, die obgenannte Forderungen erfüllen sollen. Diesen Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, dass durch die in der Flüssigkeit aufsteigenden Blasen in der Flüssigkeit ein nachteiliger Rückvermischungsprozess abläuft.

Diese Rückvermischung beruht einerseits auf dem durch die aufsteigenden Blasen erzeugten Rühreffekt und andererseits auf lokalen Quer- und Rückströmungen, die auf unvermeidliche Inhomogenitäten in der auf den Behälterquerschnitt bezogenen Gasblasenverteilung zurückführbar sind. Nicht ausschliessbar ist gemäss dem heutigen Wissen ein direkter Transport u. a. von Mikroorganismen in der mit der Gasblase aufsteigenden Flüssigkeitsgrenzschicht der Blase selbst.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die geschilderten Nachteile zu eliminieren. Es soll zudem ein Verfahren vorgeschlagen werden, das mit im Vergleich zu bekannten Verfahren gleichem oder geringerem Energiebedarf durchführbar ist und das sich durch einen eindeutigen Scale-up-Vorgang auf gewünschte Durchsatzwerte übertragen lässt. Zudem soll das Verfahren ohne grossen Aufwand regelbar sein. Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung muss wirtschaftlich herstellbar sein und ohne grossen Aufwand gereinigt werden können.

Diese Aufgaben werden mit den in den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 6 aufgeführten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst zwei Hauptschritte: 1. Der Aufbereitungsmitteleintrag findet primär in der Kreislaufströmung unter kontrollierten Strömungsbedingungen statt.

Dies erleichtert insbesondere die Optimierung des Gas-Flüssig Stofftransportes und erlaubt stationäre Betriebsbedingungen.

Das Rohwasser wird zudem sofort nach Eintritt in den Behandlungsbereich mit Aufbereitungsmittel kontaktiert. Innerhalb der einzelnen Zonen der Kreislaufströmung (Mischzone Rohflüssigkeit-Kreislaufflüssigkeit, Pumpe, Trennzone Gas-Flüssigkeit) findet eine starke Rückvermischung der Flüssigkeit statt.

2. Die die Kreislaufströmung verlassende Flüssigkeit strömt praktisch rückvermischungsfrei zum Behälterkopf. Da auch das aus dem Kreislaufstrom austretende Behandlungsmittel den gleichen Weg durchströmt, ist für ständigen Nachschub gesorgt und die Flüssigkeit gleichzeitig einer genau definierten Behandlungszeit ausgesetzt. Von besonderer Bedeutung ist die im Bereich jedes Vertikalströmungsabschnittes natürlich ablaufende Redispergierung der Gasphase auf den Gas-Flüssig-Stofftransport.

In Bezug auf die ebenfalls angestrebte hohe Betriebssicher heit weist die zum Behälterkopf, d. h. nach oben führende Hauptfliessrichtung der Flüssigkeit grosse Vorteile auf. Bei gewolltem oder ungewolltem Ausschalten der Flüssigkeitsan triebsmittel kann erstens keine Flüssigkeit aus dem Prozess ausströmen, vielmehr senkt sich der Flüssigkeitsspiegel aufgrund der natürlichen, durch den Auftrieb bedingten Entmischung des Gases ab. Die getroffene Strömungsführung verhindert zudem zweitens auch bei Stillstand ein Rückvermischen des bereits vorbehandelten Wassers mit allfälliger bereits eingetragener, aber noch ungenügend behandelter Rohflüssigkeit.

Im Bereich der vertikalen Strömungsabschnitte kann die an sich automatisch ablaufende Redispergierung durch den Einsatz zusätzlicher Redispergiermittel beeinflusst werden. So ist es beispielsweise möglich, mittels statischer Mischelemente oder Fritten den Gas-Flüssig-Stoffaustausch zu optimieren.

Das Aufbereitungsmittel kann im weitern vor Erreichen des Behälterkopfes ganz oder teilweise, z. B. stufenweise, aus dem Aufbereitungsprozess entfernt werden. Dies kann beispielsweise bei schäumenden Flüssigkeiten vorteilhaft sein. Zudem kann mit Hilfe eines nach der Entfernung zudosierten weiteren gasförmigen Mittels die Konzentration an gelöstem Aufbereitungsmittel in der Flüssigkeit nötigenfalls reduziert werden.

Weitere Vorteile werden im folgenden anhand der in der Figur dargestellten Ausführungsform beschrieben.

Die Figur zeigt eine Vorrichtung, in der vorfiltriertes Rohwasser mittels des erfindungsgemässen Verfahrens zu Trinkwasser aufbereitet wird. Als Aufbereitungsmittel dient Ozon. Als bekannt vorausgesetzt werden die nicht näher dargestellten und nicht beschriebenen Verfahrensschritte Vorfütrierung und Ozonerzeugung.

Das vorfiltrierte Rohwasser strömt durch den Stutzen 5 in die nach oben offene, ein Teilvolumen des Behandlungsbehälters 1 darstellende Kammer 3 ein. Die Kammer 3 enthält den Ansaugstutzen 6 des den unteren Behälterinhalt erfassenden Kreislaufstromes 12. Falls kein Rohwasser zufliesst, strömt über die die Öffnung 14 bereits im Behälter vorliegendes Wasser in den Kreislauf ein. Sobald jedoch Rohwasser zufliesst, wird dieses bevorzugt in den Kreislauf eingesogen.

Die Pumpe 13 fördert das sich im Kreislauf befindliche Wasser durch das Mischorgan 15, wo ozonhaltige Luft zuge- mischt wird, über den Stutzen 7 in die ebenfalls nach oben offene zweite Kammer 4. Die beiden Kammern 3, 4 sind durch eine Trennwand 2 voneinander separiert. Diese Trennwand kann entweder die Funktion eines Uberlaufwehres erfüllen oder, wie in der Figur dargestellt, mittels einer Durchbrechung 19 den Kreislaufstrom schliessen. Sie kann nötigenfalls mit einer nicht dargestellten Einrichtung versehen sein, die ein Rückfliessenvon Wasser aus der Kammer 3 in die Kammer 4 verhindert.

Die Aufteilung des Behälterbodenbereichs in zwei Kammern hat den Vorteil, dass das Rohwasser mindestens einmal durch den Kreislauf geführt und mit Ozon hoher Konzentration versetzt wird. Zudem gewährleistet sie eine Entmischung des Gases ausserhalb des Ansaugbereichs der Kreislaufpumpe, was u. a.

den Einsatz herkömmlicher Zentrifugalpumpen im Kreislauf ermöglicht.

Das Verhältnis von Zulaufstrom und Kreislaufstrom kann frei gewählt werden und somit den jeweiligen Reaktionsgeschwindigkeiten angepasst werden. Im Fall der hier dargestellten Ozonung ist eine mehrmalige Umwälzung, d. h. ein Verhältnis von Umlaufstrom zu Zulaufstrom von grösser 1 angezeigt, da die Ozonzehrung des Rohwassers zu Beginn der Reaktion hoch, die Löslichkeit von Ozon in Wasser relativ gering ist. Der Kreislaufstrom kann selbstverständlich auch bei abgestelltem oder unterbrochenem Rohwasserzufluss funktionieren. Das Mischorgan kann dank der stationären Strömungsparameter im Kreislauf optimal dimensioniert werden, was insbesondere beim Einsatz von Injektoren bzw. Venturimischern von grossem Vorteil ist.

Die Pumpe 13 kann auch nach dem Mischorgan 15 angeordnet sein. In diesem Fall muss sie gleichzeitig Gas und Flüssigkeit fördern können. Dies ist beispielsweise bei Seitenkanalpumpen der Fall. Dabei sind besonders hohe Stoffeintragsleistungen beobachtet worden.

Selbstverständlich kann der Kreislauf auch anders als dargestellt realisiert werden. Er kann vollständig innerhalb des Behälters 1 angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, anstelle einer Pumpe ein in einem Leitrohr angeordnetes Axialrührwerk, allenfalls mit speziellen Gaseintragspropellerflügeln, einzusetzen.

Infolge des natürlichen Auftriebes strömt das in die Kammer 4 eingetragene Gas selbständig nach oben und gelangt durch die im untersten Boden eingesetzte Fritte 11 in die erste horizontale Strömungszone. Durch die Fritte 11 wird das Gas redispergiert, was erneut zu verstärktem Stoffeintrag führt. Wird dem Behälter gleichzeitig Wasser entnommen, strömt eine entsprechende Wassermenge ebenfalls durch die genannte erste Fritte vertikal nach oben.

Wird dem Behälter kein Wasser entnommen, bildet sich auf dem ersten Boden eine Schichtung aus. Das Gas strömt horizontal über den Boden zur nächsthöheren Fritte, wo es erneut dispergiert wird. Wird hingegen gleichzeitig Wasser entnommen, kann sich auf dem ersten Boden eine horizontale Mehrphasenströmung ohne Schichtung einstellen. Je mehr Wasser über den Boden horizontal hinwegströmt, desto intensiver wird die Turbulenz dieser Mehrphasenströmung. Da mit zunehmender Turbulenz der Gas-Flüssig-Stoffaustausch intensiver wird, ist auch bei zunehmender Wasserentnahme der Ozoneintrag erhöht.

Bodenabstand sowieBehälterdurchmesser, d. h. die geometrischen Grössen, die die Charakteristik der Mehrphasenströmung über den einzelnen Boden mitbestimmen, werden vorzugsweise je nach gewünschtem Durchsatz an Flüssigkeit gemäss den hinlänglich bekannten Dimensionierungsvorschriften für horizontale Mehrphasenströmungen ausgelegt. An dieser Stelle wird beispielsweise auf die von Baker (Oil & Gas J. 53 (1954) 12, 185-195) beschriebene Strömungsbilderkarte verwiesen. Da die einzelnen Strömungsformen zudem von Stoffkenndaten (z. B.

Grenzflächenspannung) des Gas-Flüssig-Gemisches mitbestimmt werden, kann keine allgemein gültige Dimensionierungsvorschrift aufgestellt werden. Für den hier besprochenen Fall der Wasseraufbereitung mit Ozon liegt der optimale Bodenabstand im Bereich von 2 bis 10 cm. Bei zum schäumen neigenden Gemischen kann er auch grösser sein. Der Durchmesser der die Vertikalströmung aufnehmenden Offnungen im einzelnen Boden beträgt beim Einsatz von Fritten ein bis einige Dezimeter, ohneFritten, z. B. bei statischenMischern des Sulzer-Typs einige Zentimeter.

Damit auf dem Boden keine Kurzschlussströmung und damit verbundene sogenannte Totzonen auftreten, kann mit Hilfe von Leitelementen, z. B. auf dem Boden befestigter Blechstreifen, eine Führung, die beispielsweise zu einer Propfströmung führt, realisiert werden.

Die Anzahl notwendiger Böden wird hauptsächlich durch die notwendige Verweilzeit bestimmt. Als Richtwert für die Wasserozonung sei ein Bereich von 15 bis 45 Minuten angegeben.

Vorzugsweise werden dabei mehr als 20 Böden eingesetzt.

Die Böden sind über ringförmige, als Dichtelemente ausgebildete Distanzhalter 17 auswechselbar im Behälter eingesetzt und über Spannelemente in ihrer Lage fixiert. Selbstverständlich kann auch eine andere Einbauvorrichtung vorgesehen sein, falls sie die genannten Bedingungen erfüllt. Die Spannelemente sind in der Figur nicht dargestellt.

In konstruktiver Hinsicht ist für den Einbau der Böden wesentlich dass kein Gas im Direktaufstieg zum Behälterkopf strömen kann. Eine geringe Flüssigkeitsrückströmung vom höhergelegenen Boden auf den darunterliegenden, kann jedoch toleriert werden.

Denkbar ist auch die Verwendung besonders strukturierter Böden, z. B. um längs der Horizontalströmung die Turbulenz der Flüssigkeit zu erhöhen oder die obgenannte Leitfunktion zu gewährleisten.

Selbstverständlich können die Öffnungen bzw. Fritten auch an andern Stellen auf den Böden als in der Figur dargestellt angeordnet werden. Solange sich vertikale und horizontale Strömungsabschnitte, allenfalls unter Zwischenschaltung schräger Strömungsabschnitte, folgen, wird der Rahmen der Erfindung nicht verlassen.

Das erfindungsgemässe Verfahren bietet einfachste Regelungsmöglichkeiten. Entspricht beispielsweise die Qualität der Ausgangsflüssigkeit nicht den geforderten Minimalwerten, kann entweder die Rohflüssigkeitszufuhr gedrosselt werden (der Kreislaufstromistja davon unabhängig) oder es kann die Aufbereitungsmittelzufuhr erhöht werden. Denkbar ist für den Fall, dass vollständig ungenügende Aufbereitungsqualität festgestellt werden sollte, eine Bypass-Schaltung vom Behälterausgang zum Eintragsstutzen 5 (dieser Bypass ist in der Fig. nicht eingetragen).

Bei der Wasserozonung kann die Qualitätskontrolle beispielsweise über eine Redox-Messung erfolgen.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Aufbereiten von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohflüssigkeit innerhalb eines Behälters im Bereich der Ansaugstelle eines eine Teilmenge der im Behälter vorliegenden Flüssigkeit umwälzenden Kreislaufstromes zugespiesen wird, dass im Kreislaufstrom ein gasförmiges Aufbereitungsmittel zudosiert wird, das nach dem Wiedereintritt des Kreislaufstromes in den übrigen Behälterinhalt den Behälter auf einem in Richtung Behälterkopf führenden, nicht mehr vom Kreislaufstrom hydraulisch beeinflussten Strömungsweg durchströmt, welcher Strömungsweg sich aus sich abwechselnden vertikalen und im wesentlichen horizontalen Abschnitten zusammensetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kreislaufstrom zu Zulaufstrom grösser als 1 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbereitungsmittel beim Durchströmen der oder einiger vertikaler Abschnitte über die natürlich ablaufende Redispergierung hinaus durch zusätzliche Massnahmen feinblasig redispergiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbereitungsmittel vor Erreichen des Behälterkopfes aus dem Behälter entfernt wird und durch ein weiteres gasförmiges Mittel ersetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit auf den im wesentlichen horizontalen Abschnitten angenähert propfströmungsförmig geführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Behälter (1) umfasst, dessen Bodenbereich durch eine Trennwand (2) in zwei nach oben offene Teilvolumina (3, 4) geteilt ist, wobei in das eine Teilvolumen (3) ein Eintrittsstutzen (5) für die Rohflüssigkeit und ein Ansaugstutzen eines Flüssigkeitskreislaufsystems (6) münden und in das andere Teilvolumen der Austrittsstutzen (7) des Kreislaufsystems mündet, und dass oberhalb der Trennwand (2) mindestens zwei im wesentlichen horizontal verlaufende, ausbaubare Böden (8, 9) vorhanden sind, die über je mindestens eine Durchtrittsstelle verfügen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsstelle Gasdispergiereinrichtungen (11), z. B.

in Form poröser Körper oder statischer Mischelemente enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislaufsystem (12) eine Gas und Flüssigkeit gemeinsam fördernde Pumpe (13) angeordnet ist.

9. Vorrichtungnach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 20 Böden vorhanden sind.