DE4129594C2 - Vorrichtung zum Behandeln einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln einer Flüssigkeit, insbesondere von Klär- und Industrieschlämmen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei der Behandlung verschiedener Abwässer hat sich herausgestellt, daß ein feines Dispergieren der in der Flüssigkeit verteilten Feststoffe die Eigenschaften des Abwassers äußerst positiv beeinflußt. So ist die reaktive Oberfläche der Feststoffe, welche die Geschwindigkeit eines möglichen Zersetzungsprozesses bestimmt, bei feiner Dispersion der Feststoffe am größten. Diese große Oberfläche erlaubt auch die Anlagerung von Gasen, wie beispielsweise Luft, an die Feststoffe, so daß sich diese durch ihr verringertes Gewicht an der Oberfläche der Flüssigkeit absetzen. Durch die Anlagerung von Luft wird ferner eine Zersetzung der Feststoffe durch aerobe Bakterien gefördert, was sich insbesondere bezüglich der Geruchentwicklung positiv auswirkt. Letztlich wird auch die Wasserbindefähigkeit der Feststoffe mit fortschreitendem Dispersionsgrad erhöht. Dies spielt insbesondere bei der Behandlung von Gülle, eventuell unter zusätzlicher Zugabe von Bindemitteln, eine wesentliche Rolle. Beim Ausbringen von Gülle als Düngemittel besteht nämlich die große Gefahr, daß dünnflüssige Güllebestandteile bis in das Grundwasser vordringen.

Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der WO 90 05 582 bekannt. Die Vorrichtung ist zum Durchmischen und zum Begasen von Flüssigkeiten vorgesehen. Der Kanal durch die Dispergierwerkzeuge weist dabei einen symmetrischen Aufbau auf. D. h., abgesehen von seiner Orientierung zur Umlaufrichtung um die Drehachse der Welle ist der Bereich, in dem der freie Querschnitt des Kanals abnimmt genauso ausgebildet, wie der Bereich, in dem der freie Querschnitt des Kanals zunimmt. Der freie Querschnitt ist in allen Punkten entlang des Kanals quadratisch ausgebildet. Die äußere Kontur der Dispergierwerkzeuge ist ebenso eckig und zwar quaderförmig mit quadratischem Querschnitt. Für hohe Umlaufgeschwindigkeiten um die Welle sind die Dispergierwerkzeuge der bekannten Vorrichtung nicht geeignet.

Aus der DE-OS 39 01 894 ist eine Vorrichtung zum Mischen von strömungsfähigen, insbesondere pasteusen Medien bekannt. Diese Vorrichtung weist trichterförmige Rührwerkzeuge auf, die über Tragarme an einer antreibbaren Welle gelagert sind. Die Rührwerkzeuge werden mit der Trichteröffnung voran durch das jeweilige strömungsfähige Medium bewegt. Dabei ist die Trichterachse geneigt zur Umlaufrichtung der Rührwerkzeuge um die Welle ausgerichtet. Die Rührwerkzeuge weisen keinen Bereich auf, in denen ihr innerer freier Querschnitt wieder anwächst. Die bekannte Vorrichtung ist nicht zum Dispergieren von in einer Flüssigkeit verteilten Feststoffen vorgesehen und für diesen Zweck auch nur sehr begrenzt geeignet.

Eine Vorrichtung zur Belüftung von Flüssigkeiten wird in der US-PS 17 79 181 beschrieben. Dabei sind um eine Drehachse rotierend antreibbare Belüftungskörper vorgesehen, die einen in Umlaufrichtung um die Drehachse durchgehenden, randseitig geschlossenen Kanal aufweisen. Der randseitig geschlossene Kanal wird von einem inneren Zylindermantel gebildet, der mit Abstand von einem äußeren Zylindermantel umgeben ist. Die äußere Zylindermantelumgebung bildet die äußere Oberfläche der Belüftungswerkzeuge. Der Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Zylindermantel ist in Umlaufrichtung durch eine V-förmige Abdeckung verschlossen. Entgegen der Umlaufrichtung ist der Raum offen ausgebildet, so daß von hier aus in den Raum eingepumpte oder durch Zentrifugalkräfte eingesaugte Luft in die Flüssigkeit eingebracht wird. Zum effektiven Dispergieren von in einer Flüssigkeit verteilten Feststoffen ist die bekannte, ausschließlich zum Belüften der Flüssigkeit vorgesehene Vorrichtung nicht geeignet.

Eine Vorrichtung zum Dispergieren von in einer Flüssigkeit verteilten Feststoffen ist aus der DE-OS 38 32 600 bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind als Dispergierwerkzeuge von der Drehachse der Welle wegstehende, in Form und Anordnung mit den Zähnen eines Kreissägeblatts vergleichbare Schlagflügel vorgesehen. Die einzelnen Schlagflügel sind zu ihrer Umlaufrichtung abgewinkelt ausgerichtet, so daß sie als Strömungsprofile in der Flüssigkeit hinter einer Vorderkante auf ihrer einen Seite einen Überdruck- und auf ihrer anderen Seite einen Unterdruckbereich ausbilden. Beim Eintreten der Flüssigkeit in den Unterdruckbereich wirken auf die Einzelbestandteile der Feststoffe die Feststoffe in kleinere Bestandteile auflösenden Kräfte ein. Bei der bekannten Vorrichtung kann dem die Werkzeuge tragenden, scheibenförmigen Blatt ein zweites Blatt zugeordnet sein. Zwischen den beiden Blättern ist ein Spalt ausgebildet, über den Luft in die durch die Werkzeuge hervorgerufenen Unterdruckbereiche eingebracht werden kann. Für die Zuführung der Luft ist ein sich durch die Welle erstreckender Luftkanal vorgesehen. Beim Einsatz der bekannten Vorrichtung hat sich herausgestellt, daß nur ein mäßiger Dispersionsgrad erzielt werden kann. Über die Auswirkung der rein mechanischen Zerkleinerung hinaus findet keine nennenswerte Aufspaltung der Feststoffe statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß ein wirkungsvolles Dispergieren von in einer Flüssigkeit verteilten Feststoffen bei geringer Leistungsaufnahme der Vorrichtung möglich ist.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht. Der Bereich des Kanals mit abfallendem freien Querschnitt bildet einen Kompressions­ bereich aus, an den sich ein Expansionsbereich mit wieder ansteigendem freien Querschnitt des Kanals anschließt.

Hierdurch wirkt auf die durch den Kanal hindurchtretende Flüssigkeit zunächst Überdruck und dann Unterdruck ein. Der auf diese Weise herbeigeführte Druckunterschied vermag auch durch größere Kräfte zusammengehaltene Feststoffpartikel in der Flüssigkeit auseinander zu reißen und resultiert somit in einer besonders guten Dispersion der Feststoffe. Hierbei hängt das maximal erreichbare Druckgefälle sowohl von der Umlaufgeschwindigkeit des Werkzeugs in der Flüssigkeit als auch von der geometrischen Gestaltung des Kanals ab. Die tropfenförmige Ausbildung der äußeren Kontur der Dispergierwerkzeuge resultiert in einen geringen Strömungs­ widerstand, welcher sich wiederum in einer vorteilhaft geringen Leistungsaufnahme der Vorrichtung auswirkt. Darüber hinaus wird das Auftreten von Abrieb an den Dispergierwerkzeugen durch die in der Flüssigkeit enthaltenen Feststoffe reduziert. Der im Vergleich zum Austrittsquer­ schnitt relativ große Eintrittsquerschnitt des Kanals in den Dispergierwerkzeugen steigert die Wirkung der Dispergier­ werkzeuge über den unmittelbaren Effekt der hohen Umlauf­ geschwindigkeiten um die Welle hinaus. Als überraschend ist dabei anzusehen, daß die Wirkung der Dispergierwerkzeuge wesentlich auf dem anfänglichen Aufbau des Überdrucks in dem Bereich des Kanals mit abfallendem Querschnitt beruht.

Das Verhältnis des Eintrittsquerschnitts des Kanals zu dem Austrittsquerschnitt und zu dem dazwischen befindlichen minimalen freien Querschnitt des Kanals kann etwa 2,5 : 2 : 1 betragen. Diese Bemaßungen haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Sie beziehen sich auf die jeweiligen Durchmesser des Kanals und sind daher für die entsprechenden Flächen zu quadrieren.

Für die Dispergierwerkzeuge können im Querschnitt tragflügelförmige Tragarme vorgesehen sein. Es ist bekannt, daß bei umströmten Tragflügeln ebenfalls Bereiche mit Über- und Unterdruck in der umströmten Flüssigkeit entstehen.

Dieser Effekt läßt sich bei der Lagerung der Dispergier­ werkzeuge an der Welle geschickt ausnutzen.

Der Kanal in den Dispergierwerkzeugen kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Derartige Kanäle sind fertigungstechnisch vorteilhaft; ferner gibt es bei rotationssymmetrischen Kanälen keine Nischen, in denen sich Feststoff-Teilchen ablagern könnten.

Jedes Dispergierwerkzeug kann am Beginn des Bereichs mit zunehmendem Querschnitt mindestens eine Zuführöffnung für Luft aufweisen, die mit einem Luftkanal in Verbindung steht, der sich durch den Tragarm und die Welle erstreckt. Der sich in dem Expansionsbereich entwickelnde Unterdruck ist zum Ansaugen und Einmischen von Luft in die Flüssigkeit nutzbar. Zu diesem Zweck sind vorteilhafterweise am Beginn des Bereichs des Kanals mit zunehmendem Querschnitt Zuführöffnungen für Luft vorzusehen. Die Luftbeimischung ist wie bekannt sinnvoll, um die Zersetzung vieler Feststoffe zu fördern oder ihr Abtrennen von der Flüssigkeit zu erleichtern.

Die Zuführöffnung kann über den Luftkanal mit einer Quelle für Druckluft verbindbar sein. Für eine gezielte Anwendung von Druckluft ist die in die Flüssigkeit eingebrachte Luftmenge stark erhöhbar. Es ist jedoch darauf zu achten, daß nicht so viel Druckluft in den Expansionsbereich gepreßt wird, daß die notwendigen Druckschwankungen, die auf die Flüssigkeit einwirken sollen, nicht mehr auftreten.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführbeispiels näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung zum Behandeln einer Flüssigkeit,

Fig. 2 Dispergierwerkzeuge der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Längsschnitt und

Fig. 3 die Dispergierwerkzeuge gemäß Fig. 2 im Querschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Behandeln einer Flüssigkeit ist insbesondere zum Dispergieren von in der Flüssigkeit verteilten Feststoffen vorgesehen. Sie weist einen Behälter 2 für die Flüssigkeit und eine in dem Behälter 2 angeordnete, durch einen Motor 3 um ihre Drehachse 4 rotierend antreibbare Welle 5 auf. Mit Abstand zu, aber drehfest an der Welle 5 sind Dispergierwerkzeuge 6 gelagert. Wenn die Welle 5 von dem Motor 3 angetrieben wird, laufen die Dispergierwerkzeuge 6 mit der Welle 5 um deren Drehachse 4 um. Die Dispergierwerkzeuge 6 umfassen jeweils einen in Umlaufrichtung um die Drehachse der Welle durchgehenden randseitig geschlossenen Kanal 7. Der Behälter 2 weist einen Einlaß 8 für die Flüssigkeit mit den darin verteilten Feststoffen und einen Auslaß 9 für die behandelte Flüssigkeit auf. Zumindest in dem Auslaß 9 ist ein absperrbares Ventil 10 vorgesehen.

Der Detaildarstellung gemäß Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Dispergierwerkzeuge 6 jeweils rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Des weiteren ist die Struktur der Kanäle 7 ersichtlich. In Umlaufrichtung der Dispergierwerkzeuge 6 um die Drehachse 4, die hier durch übliche Symbole 11 und 12 wiedergegeben ist, liegt jeweils ein Kompressionsbereich 13 vor einem Expansionsbereich 14. Während der freie Querschnitt der Öffnung in den Kompressionsbereichen 13 entgegen der Umlaufrichtung abfällt, nimmt er in den Expansionsbereichen 14 zu. Hierbei ist der Eintrittsquerschnitt 15 in die Kompressionsbereiche 13 größer als der Austrittsquerschnitt 16 aus den Expansionsbereichen 14. Die Kanäle 7 weisen somit eine unsymmetrische Doppeltrichterform auf. Für die Dispergierwerkzeuge 6 sind Tragarme 17 vorgesehen, die über ein Zwischenstück 18 mit der Welle 5 in Verbindung stehen. In der Welle 5 erstreckt sich ein Luftkanal 19, der mit einer außerhalb des Behälters 2 angeordneten Quelle für Druckluft verbindbar ist und über Verzweigungen 20 verfügt, die bis zu den Kanälen 7 in den Dispergierwerkzeugen 6 führen.

Aus Fig. 3 ist der genaue Aufbau der Kanäle 7 mit den Kompressionsbereichen 13 und den Expansionsbereichen 14, der anhand Fig. 2 beschrieben wurde, noch deutlicher zu erkennen. Hierbei deuten Pfeile 21 die Umlaufrichtung der Dispergierwerkzeuge 6 um die Drehachse 4 der Welle 5 an. Nicht offensichtlich ist jedoch die tragflügelförmige Ausbildung der Tragarme 17. Die Tragarme 17 sind ebenso wie die Dispergierwerkzeuge 6 aus Metallblech ausgebildet und hohl. Um den Strömungswiderstand der Dispergierwerkzeuge 6 in der Flüssigkeit herabzusetzen, sind sie in ihren äußeren Konturen tropfenförmig ausgeformt. Zuführöffnungen 22, die mit dem Luftkanal 19 in der Welle 5 in Verbindung stehen, sind direkt am Beginn der Expansionsbereiche 14 zum Einmischen von Luft in die zu behandelnde Flüssigkeit vorgesehen. Die Zuführöffnungen 22 sind hierbei als gegen die Umlaufrichtung der Werkzeuge 6 gerichtete Ringdüsen 23 ausgebildet. Auf diese Weise wird eine mit einer Wasserstrahlpumpe vergleichbare Injektoranordnung geschaffen. Das Verhältnis des Eintrittsquerschnitts 15 des Kanals 7 im Kompressionsbereich 13 zu dem Austrittsquerschnitt 16 im Expansionsbereich 14 und zu dem dazwischen befindlichen minimalen freien Querschnitt 24 des Kanals 7 sollte etwa 2,5 : 2 : 1 betragen. Hierbei ist als Maß für den freien Querschnitt jeweils dessen Durchmesser anzusetzen. Im vorliegenden Fall betragen die als vorteilhaft ermittelten Werte 65, 52 und 25 mm. Ein effektives Dispergieren der in der Flüssigkeit verteilten Feststoffe ist erst bei relativ hohen Umlaufgeschwindigkeiten der Dispergierwerkzeuge 6 um die Drehachse 4 möglich. Die Dispergierwirkung der Dispergierwerkzeuge ist hierbei einmal auf eine mechanische Zerkleinerung beim Auftreffen der Feststoffe auf verschiedene Bereiche des Werkzeugs zurückzuführen. Zum anderen ist der sich in dem Kanal 7 ausbildende Druckgradient insbesondere für das Zerteilen bereits mechanisch vorbehandelter Feststoff-Teilchen ursächlich.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Behandeln einer Flüssigkeit, insbesondere von Klär- und Industrieschlämmen, mit einer antreibbaren Welle (5) und mit Dispergierwerkzeugen (6), die über Tragarme (17) im Abstand von der Welle (5) drehfest an ihr befestigt sind und von denen jedes einen in Umlaufrichtung um die Drehachse (4) der Welle (5) durchgehenden Kanal (7) aufweist, wobei der freie Querschnitt des Kanals (7) zunächst abfällt und danach ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt (15) des Kanals (7) größer ist als der Austrittsquerschnitt (16), und daß jedes Dispergierwerkzeug (6) in seiner äußeren Kontur tropfenförmig ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Eintrittsquerschnitts (15) des Kanals (7) zu dem Austrittsquerschnitt und zu dem dazwischen befindlichen minimalen Querschnitt (24) des Kanals (7) etwa 2,5 : 2 : 1 beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dispergierwerkzeuge (6) im Querschnitt tragflügel­ förmige Tragarme (17) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (7) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dispergierwerkzeug (6) am Beginn des Bereichs (14) mit zunehmendem Querschnitt mindestens eine Zufuhröffnung (22) für Luft aufweist, die mit einem Luftkanal (19) in Verbindung steht, der sich durch den Tragarm (17) und die Welle (5) erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnung (22) über den Luftkanal (19) mit einer Quelle für Druckluft verbindbar ist.