Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten; sie bezieht sich damit insbesondere auf die Formation und Rezirkulation von Gasblasen/Flüssigkeit-Gemischen.

Es sind eine Reihe von Möglichkeiten und Techniken bekannt, um die Ver¬ mischung von Gasen mit Flüssigkeiten zu erreichen. Weit verbreitet sind beispielsweise Spargesysteme, um ein Gas unter einem Rührorgan, etwa einer Rushton-Turbine oder einem Axial-Rührorgan einzubringen. Dabei muß das Gas unter Druck zugegeben werden, wofür entweder ein Kom¬ pressor oder ein Drucklagertank benötigt wird. Spargesysteme sind in der Regel kreisförmig und weisen mehrere Öffnungen für den Gasaustritt auf

oder es sind einfache Rohre mit einem offenen Ende. Das Rührwerk soll das Gas in so kleine und so viele Gasblasen wie möglich zerteilen und im gesamten Mischgefäß, beispielsweise einem Tank, dispergieren. Bei einem bekannten Spargesystem wird der Vorteil einer von einem bekannten Rührorgan erzeugten Axialströmung benutzt, um den Gaseintrag durch vier einfache Rohre in der Nähe des Behälterbodens zu ermöglichen. Eine Axialströmung ist erwünscht, um kleine Mischzeiten, gute Feststoffsu¬ spensionseigenschaften und eine Bewegung der Gasblasen vom Behälter¬ boden nach oben zu erreichen. Bei Verwendung eines geeigneten Axial- strömers wird außerdem eine lokale Rückströmung unter die Mischflügel und damit der Aufbau eines Gaspolsters unter den einzelnen Mischflügeln verhindert, was eine Überflutung des Rührers zur Folge hätte. Ein überflu¬ teter Mischflügel ist nicht mehr in der Lage, die Flüssigkeit so zu pumpen, daß eine adäquate Strömung in dem Mischbehälter herrscht. Für ein gege- benes System in einem Gas/Flüssigkeits-Reaktor gibt es zwei Freiheits¬ grade, nämlich die Drehzahl des Rührorgans und die Gasrate.

Ein anderer Grundtyp der Spargesysteme weist ein oder mehrere selbstan¬ saugende Rührorgane mit einer Hohlwelle auf. Der Unterdruck hinter den Blättern des Rührorgans erzeugt ein Vakuum in der Hohlwelle. Durch eine Öffnung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels wird das Gas eingesogen und in der Umgebung der Mischflügel oder Mischblätter der Flüssigkeit zuge¬ führt. Die Menge an Gas, die dispergiert werden kann, hängt von der Rüh¬ rerdrehzahl und dem durch die Blätter erzeugten Unterdruck ab, der wie- derum abhängig ist von der Form der Blätter. Für ein gegebenes System gibt es nur einen Freiheitsgrad, nämlich die Rührerdrehzahl.

Ein dritte bekannte Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeit ist der sogenannte Turbo-Belüfter (vgl. DE-A 24 15 813), der in der sche- matischen Zeichnung der Fig. 1 1 in einer Ausführung mit nur einem Rühr¬ organ dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Motor 1 an ein Lagergehäuse 2 angeflanscht. Das Lagergehäuse 2 ist erst ab bestimm¬ ten Leistungen und Nenndrehzahlen erforderlich und kann außerdem zur Aufnahme von weiteren Ringdichtungen dienen. Ein Leitrohr 3 des Belüf-

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ters weist eine erste Öffnung oberhalb eines durch eine Pfeilmarkierung angegebenen Flüssigkeitsspiegels auf. Dies ist ein wesentlicher Unter¬ schied zu allen anderen bekannten Leitrohrsystemen. Das Leitrohr 3 mün¬ det innerhalb der Flüssigkeit offen kurz über einem als Axialströmer aus- geführten Rührorgan 5. Der Zwischenraum zwischen dem Leitrohr 3 und dem Rührorgan 5 legt zusammen mit dem Durchmesserverhältnis der bei¬ den die Gasmenge fest, die eingezogen werden kann. Eine Antriebswelle 4 für das Rührorgan 5 verläuft zentrisch innerhalb des Leitrohrs 3; sie kann innerhalb des Leitrohrs 3 zusätzlich durch ein Lager abgestützt sein, um bei längeren Wellen größere Stabilität zu gewährleisten.

Ein typisches Rührorgan 5, für den in Fig. 11 dargestellten Turbo-Belüfter zeigt die Fig. 13, nämlich einen drei- oder mehrblättrigen Schrägblattrüh- rer mit einem die Rührerblätter umfassenden, mitrotierenden Ring 10. Der Bezugshinweis 6 bezeichnet eine Flanschplatte zur Befestigung des Tur- bo-Belüfters an einem nicht dargestellten Behälter.

Der bekannte Turbo-Belüfter gemäß Fig. 1 1 arbeitet wie folgt:

Mit zunehmender Drehzahl steigt die zwischen dem Leitrohr 3 und dem Rührer 5 durchgepumpte Flüssigkeitsmenge an. Dies führt zu einem Ab¬ sinken des statischen Drucks oberhalb der Flügel. Ab einer bestimmten Drehzahl ist der Druck auf das Niveau des statischen Wasserdrucks ge¬ sunken und das System beginnt von der Oberfläche durch das Leitrohr 3 Gas einzuziehen. Da das Gas/Flüssigkeits-Gemisch durch die Flügel des Rührorgans 5 hindurchgeht, werden die Gasblasen, bedingt durch die me¬ chanische Scherung, extrem klein. Mit Flüssigkeitsscherung allein lassen sich derart kleine Gasblasen niemals erreichen. Innerhalb des Mischbe¬ hälters herrscht eine gleichmäßige Verteilung der Gasblasen. Sofern die einzige Aufgabe darin besteht. Gas in die Flüssigkeit einzubringen, haben sich Turbobelüfter dieser Bauart bewährt. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch daraus, daß das System leicht zum Überfluten neigt. Da sich die Gasblasen außerdem nur um eine etwa dem halben Flügeldurchmesser entsprechende Distanz nach unten pumpen lassen, ist diese Art eines Be- lüfters nicht für eine gleichzeitige Feststoffsuspension geeignet.

Um außer der Belüftung auch die Aufgabe einer Feststoffsuspension zu er¬ füllen, ist es, wie die Fig. 12 zeigt, bekannt, den Turbo-Belüfter gemäß Fig. 11 mit einem weiteren axialen Rührorgan 7 auszustatten. Dieses zusätzli¬ che Rührorgan 7 entspricht im Prinzip bis auf einen konischen Ring 12, statt des zylindrischen Rings 10, dem Rührorgan 5. Das zusätzliche Rühr¬ organ 7 hat die Aufgabe, die vom Rührorgan 5 gebildeten Gasblasen einzu¬ saugen und durch den Mischbehälter zu verteilen. Wie alle bekannten Axi¬ alrührorgane hat jedoch auch diese Ausführungsvariante des bekannten Turbo-Belüfters die Neigung zu überfluten, wenn die vom Rührorgan 5 ein- getragene Gasmenge zu groß wird. Ein weiterer Nachteil ist auch der. daß durch das zusätzliche axiale Rührorgan 7 und die wesentlich längere An¬ triebswelle 4 das Gewicht des Gesamtsystems größer wird. Die kritische Drehzahl wird niedriger und das System neigt zu Vibrationen, was wiede¬ rum zu anderen mechanischen Schwierigkeiten führt.

Es gibt also einen Bedarf für bessere Gas/Flüssigkeits-Mischsysteme.

Damit liegt der Erfindung - insbesondere ausgehend von den bekannten oben beschriebenen Turbo-Belüftersystemen - die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten zu schaffen, die bei vergleichsweise kleinerer Antriebsleistung und geringerem Gesamtge¬ wicht eine sehr gute Vermischung der Gas- und Flüssigkeitsphase in ei¬ nem vorgegebenen Mischbehälter ermöglicht.

Speziell für den Bereich der Hochdruckreaktoren, wo ein unter dem Flüs¬ sigkeitsniveau angeordnetes Spargesystem nicht wünschenswert ist, aber andererseits die Rezirkulation des Gases aus dem oberen Raumbereich des Behälters sehr wichtig ist, um insbesondere Feststoffe im ganzen Be¬ hälter suspendieren zu können, sind Verbesserungen, wie sie mit der Er- findung angestrebt werden, von besonderer Bedeutung. Dies gilt insbe¬ sondere auch für den Bereich der katalytischen Reaktionen.

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Ein ebensolcher Bedarf, um nur ein weiteres Beispiel zu nennen, besteht beim Belüften von Seen oder Abwasseraufbereitungsanlagen. Aufgrund des großen Bedarfs sind hier insbesondere Anforderungen an kostengün¬ stige Lösungen zu erfüllen, die gleichwohl in der Lage sind, Feststoffe, zum Beispiel Faulschlamm, suspendieren zu können. Zur Zeit sind keine mit Rührer ausgestatteten Mischsysteme bekannt, die alle genannten Anfor¬ derungen gleichzeitig erfüllen können.

Die Erfindung ist bei einer Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüs- sigkeiten mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden und unterhalb sowie oberhalb des Flüssigkeitsspiegels offenen Leitrohr sowie mit einer das Leitrohr axial durchsetzenden Antriebswelle für einen in einem festgeleg¬ ten Abstand unterhalb der unteren Leitrohrδffnung angeordneten Axial¬ strömer als Förder- und Rührorgan mit einer Mehrzahl von durch einen mitrotierenden Ring umfaßten, vertikal von oben nach unten fördernden inneren Axialblättern, erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von auf der Außenseite des Rings mit gleichem gegenseitigem Winkelabstand angebrachten, ebenfalls vertikal von oben nach unten för¬ dernden äußeren Axialblättern.

Die äußeren Axialblätter können bei gleicher oder zur Anzahl der inneren Axialblätter unterschiedlicher Anzahl mit Bezug auf die Antriebswelle so¬ wohl in gleichen Winkelpositionen wie die inneren Axialblätter oder auch in zwischen den inneren Axialblättern stehenden Winkelpositionen ange- bracht sein. Im letzteren Fall ist es zweckmäßig, den die inneren Axialblät¬ ter umfassenden Ring stärker auszubilden. Vorzugsweise wird die Anzahl der inneren bzw. äußeren Axialblätter zwischen drei bis sechs gewählt. Der Ring ist erforderlich, um die Strömung zwischen dem Leitrohr und den inneren Axialblättern sicherzustellen.

Aus der DE-PS 369 362 ist zwar bereits ein Rührorgan in Form eines Rohr¬ abschnitts bekannt, das innen und außen über die gesamte axiale Länge des Rohrabschnitts mit Gewindeschaufeln besetzt ist. Dieses bekannte Rührorgan kann jedoch zur selbstansaugenden Belüftung nicht verwen-

det werden, da die Gewindeschaufeln auf der Innenseite eine Aufwärts- und die gegensinnig wirkenden Gewindeschaufeln auf der Außenseite ein Abwärtsströmung bewirken. Im Gegensatz dazu sind gemäß dem kenn¬ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 beim Gegenstand der Erfindung die äu¬ ßeren Axialblätter so ausgebildet und angeordnet, daß sie wie die Innen¬ blätter ebenfalls vertikal von oben nach unten fördern. Dadurch werden mit der Erfindung die weiter unten näher erläuterten besonderen Vorteile, nämlich vor allem eine selbstansaugende Belüftung mit maximaler Vertei¬ lungstiefe der Gasblasen über den gesamten Mischbehälter erreicht.

Die geometrische Gestaltung der äußeren Axialblätter ist nicht an eine feste Flügelform gebunden. Eine wesentliche Verbesserung der Durchmi¬ schung wird bei fast allen sinnvollerweise in Frage kommenden Flügelfor¬ men erzielt. Allerdings hat sich gezeigt, daß der sogenannte Tip-Chord- Winkel oder Spitzenanstellwinkel der Flügelblätter in der Regel kleiner sein sollte als der der inneren Axialblätter. Bereits mit einem Tip-Chord- Winkel von nur 5° ergab sich eine ganz wesentliche Verbesserung der Strö¬ mung innerhalb des Mischbehälters. Eine Erhöhung des Tip-Chord-Win- kels auf 16° bringt bei gleicher Drehzahl einen höheren Leistungseintrag. Sechs äußere Axialblätter erhöhen ebenfalls den Leistungseintrag im Ver¬ gleich zu nur drei Blättern.

Einen gewissen Einfluß auf den Gaseintrag hat auch das Durchmesserver¬ hältnis von gesamter Flügelanordnung zum Ringdurchmesser.

Aufgrund der Erfindung werden die Freiheitsgrade der konstruktiven Ge¬ staltung durch Erhöhung der veränderbaren Konstruktionsparameter größer, so daß das Verhältnis von Flüssigkeitsscherung. mechanischer Scherung und Pumpkapazität individuell und viel besser für jeden Prozeß spezifisch angepaßt werden kann. Größere innere Axialblätter beispiels¬ weise, sorgen für einen größeren Gasmengeneintrag, höhere Scherung und einen größeren Leistungseintrag. Kleinere äußere Axialblätter erhö¬ hen den Leistungsbedarf nur geringfügig, verbessern aber die Strömungs¬ verhältnisse bereits erheblich. Mit größeren Außenblättern dagegen wird

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der Akzent auf das Mischen und die Feststoffsuspension gesetzt bei ver¬ kürzten Mischzeiten.

Größere Tip-Chord-Winkel erhöhen die Flüssigkeitsscherung. Durch den Flügeltyp für die Axialblätter wird der Austrittswinkel beeinflußt. Seine Form kann von der Behältergeometrie oder von den Flüssigkeitseigen¬ schaften abhängen. Wird ein erhöhter Gasmengeneintrag gewünscht, so wird die Überdeckung des Rührorgans immer wichtiger, so daß beispiels¬ weise sechs innere und äußere Axialblätter bei einer hohen Gasrate ein Optimum hinsichtlich Gaseintrag, Vermischung und Feststoffsuspension darstellen können.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Be¬ zug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher er- läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Gas/Flüssigkeits¬ mischvorrichtung mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 2 und 3 zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Rühror¬ gans mit die Erfindung kennzeichnenden Merkmalen;

Fig. 4 ein Laserscandiagramm von Strömungsgeschwindigkeits¬ vektoren innerhalb eines (mit einem Sichtfenster versehe- nen) Mischbehälters zur Verdeutlichung der vorteilhaften

Wirkung der äußeren Axialblätter;

Fig. 5 ein ähnliches Laserscandiagramm der Strömungsge¬ schwindigkeitsvektoren innerhalb des Mischbehälters zum Verdeutlichen der Wirkung der inneren Axialblätter;

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Fig. β eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsge¬ mäßen Mischvorrichtung, bei der einerseits zusätzliche konstruktive Maßnahmen zur gezielten Förderung einer verteilten Trombenbildung vorgesehen sind und bei der andererseits durch Zusatzeinrichtung oder als Alternati¬ ve die Möglichkeit eines kontrollierten Gaseintrags unter Druck vorgesehen ist;

Fig. 7 bis 9 unterschiedliche Ausführungsformen von an der Außen- seite eines Leitrohrs einer erfindungsgemäßen Mischvor¬ richtung sternförmig angebrachten Vertikalblechen als Stromstörer zur Erzeugung von gezielt gesteuerten Trom- ben;

Fig. 10 bis 12 bereits erläuterte bekannte Ausführungsformen von

Turbo-Mischsystemen und

Fig. 13 ein Laserscan- Strδmungsgeschwindigkeitsprofil für eine herkömmliche Mischvorrichtung bei Verwendung des im wesentlichen gleichen Mischbehälters zur Verdeutli¬ chung der vorteilhaften Wirkung der Erfindung bei Ver¬ gleich mit den Laserscan-Diagrammen der Fig. 5 und 6.

Bei einem Vergleich der Fig. 11 und 1 ist sofort ersichtlich, daß auch bei dem erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Mo¬ tor 1 , das Lagergehäuse 2 , die Flanschplatte 6 und das Leitrohr 3 sowie die Antriebswelle 4 in gleicher oder ähnlicher Ausführungsform vorhanden sind.

Wie in der obigen Erfindungsdefinition angegeben, wurde die zugrunde lie¬ gende Aufgabe, Gasblasen in größere Tiefen zu bringen und eine praktisch vollständige Suspension von Feststoffpartikeln zu erreichen durch einfa¬ ches Addieren einer Mehrzahl von auf der Außenseite des Rings 10 (vgl.

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Fig. 2 und 3) mit gleichem gegenseitigen Winkelabstand angebrachten wei¬ teren Mischflügeln oder Axialblättern auf der Welle 4 erreicht.

Wie man aus dem Laserscan des Strömungsgeschwindigkeitsprofils für ei- nen bekannten, nach unten fördernden Axialströmer erkennen kann, sind die Geschwindigkeitsvektoren oberhalb des nach unten fördernden Axial¬ rührorgans immer kleiner als die auf der Unterseite. Daraus läßt sich aber folgern, daß das weitere Rührorgan 7 gemäß Stand der Technik (vgl. Fig. 12) nur eine geringfügige Verbesserung bringen kann. Das Einbringen von Gasblasen auf der Druckseite (Unterseite) wäre viel sinnvoller, ist jedoch dadurch, daß das Rührorgan 5 das Gas durch das Leitrohr 3 einzieht nicht möglich.

Die Erfindung löst das Problem auf sehr einfache Weise, nämlich durch die Anbringung von Axialblättern 9 auf der Außenseite des Rings 10. Durch diese sehr einfache Lösung werden die Rührorgane 5 und 7 gemäß Fig. 12 durch das einzige Rührorgan 8 (Fig. 1) mit äußeren Axialblättern 9 ersetzt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei mögliche Konfigurationen. Fig. 2 veranschau- licht die mechanisch stabilere Ausführung, bei der die äußeren Axialblät¬ ter 9 an gleichen Winkelpositionen mit Bezug auf die Antriebswelle 4 ange¬ bracht sind wie die inneren Axialblätter. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 stehen die äußeren Axialblätter in der Mitte zwischen den inneren Blättern. Diese Konfiguration benötigt einen stabileren Ring 10 und hat ein geringfügig höheres Gewicht der gesamten Flügelanordnung zur Folge. Es sind aber auch Konfigurationen mit beispielsweise sechs äußeren Axi¬ alblättern 9 und bis zu neun inneren Blättern möglich. Experimentell wurde festgestellt, daß die Saugwirkung mit der Anzahl der Blätter zu¬ nimmt.

Die äußeren Axialblätter 9 sind in ihrer Neigung, also hinsichtlich des Tip- Chord-Winkels frei einstellbar, um die für den jeweiligen Mischprozeß not¬ wendige Leistungsaufnahme einstellen zu können. Wenn für ein bestimm¬ tes Anwendungsgebiet das Optimum festgelegt ist, kann vorgesehen wer-

den die Axialblätter 9 fest zu verschweißen.

Das graphisch nachgezogene Laserscandiagramm der Fig. 6 läßt deutlich erkennen, daß die äußeren Flügelblätter oder Axialblätter 9 über den Durchmesser des Leitrohrs 3 hinausgehen. Dadurch rotieren sie mehr in Flüssigkeit als in der Gasphase. Sie haben damit die Tendenz, die Flüssig¬ keit zu pumpen, ohne überflutet zu werden, selbst dann, wenn die inneren Axialblätter überflutet werden. Wie das Geschwindigkeitsvektordia¬ gramm der Fig. 5 erkennen läßt, erzeugen die äußeren Axialblätter 9 einen Ring von hoher Axialströmung um das Leitrohr 3. der bis zu drei Flügel¬ durchmessern unter das gesamte Rührsystem reicht. Dies verhindert Jeg¬ liche Rückströmung direkt unter dem Flügel, die zu einem vorzeitigen Strömungsabriß und dann zum Überfluten führen würde.

Das Laserscandiagramm der Strömungsgeschwindigkeitsvektoren gemäß Fig. 6 zeigt für das Rührorgan der inneren Axialblätter ein Ausführungs¬ beispiel mit an den Spitzenenden belasteten Flügeln. Die Erfindung ist je¬ doch nicht auf diese Gestaltung der inneren Axialblätter beschränkt. Um eine radiale Strömung an der Grenzfläche der Gas-Flüssigkeitsphase zu verhindern, solltejedoch derRlng 10 injedem Fall vorhanden sein, der au¬ ßerdem für eine Trennung der Gasdispersionszone und der Zone der Axial¬ strömung im äußeren Bereich der inneren Axialblätter sorgt. Es wurde folgender Vergleichstest durchgeführt:

Die Ausführungsform nach Fig. 1 wurde im Vergleich zu einem herkömmli¬ chen Turbo-Mischsystem gemäß Fig. 1 1 geprüft. Als Testtank wurde ein Behälter mit den Abmessungen 4 m x 4 m x 4 m benutzt, d.h. das Flüssig¬ keitsvolumen betrug 64 m ³ ; die Flüssigkeit war Wasser und als Gas wurde Luft benutzt. Beim herkömmlichen System nach Fig. 1 1 hatte das untere Rührorgan 7 einen Bodenabstand von ca. 1 m. Der Abstand zwischen den beiden Rührorganen 5 und 7 betrug etwa die Hälfte des Rührorgandurch¬ messers. Der Durchmesser des Leitrohrs 3 war in beiden Fällen 180 mm mit einer Eintauchtiefe von ca. 2,7 m.

Bei der herkömmlichen Vorrichtung nach Fig. 1 1 war das System bei 800 Upm bei einer geschätzten Leistungsaufnahme von 3 kW nicht in der Lage, die Luftblasen bis auf den Boden zu bringen, da dort effektiv keine von den Rührern verursachte Strömung mehr vorhanden war. Die aufsteigenden Luftblasen verursachten eine schwache Bewegung im Behälter. Feststoffe konnten Zonen geringer Geschwindigkeit finden und sich dort ablagern.

Die zum Vergleich benutzte erfindungsgemäße Mischvorrichtung zeigt die Fig. 6. Das Leitrohr 3 hatte einen Durchmesser von 1 15 mm. Das Rühror- gan β hatte, ähnlich wie in Fig. 3 dargestellt, drei äußere Axialblätter 9 mit einem Tip-Chord-Winkel von 5°. Der Gesamtdurchmesser des Rührorgans 8 betrug 340 mm und war ca. 0,5 m unterhalb der Wasserfläche angeord¬ net.

Bei einer Drehzahl von ebenfalls ca. 800 Upm und einem gemessenen Lei¬ stungsbedarf von nur 1 ,5 kW saugte das erfindungsgemäße Rührorgan nicht nur visuell gesehen mehr Luft ein, es ergab sich vielmehr im gesam¬ ten Behälter eine Axialströmung; die Oberfläche war bewegt und es ließ sich durch das Beobachtungsfenster am Behälter erkennen, daß die Gas- blasen regelrecht gegen den Behälterboden geschossen wurden. Feststoff¬ partikel konnten sich an keiner Stelle des Behälters absetzen. Die Luftbla¬ sen wurden über 3,5 m oder mehr als zehn Rührorgandurchmesser weit nach unten gedrückt. Die Gasblasen wurden zunächst in einer strahlarti¬ gen Wolke, die etwa dem Durchmesser des Leitrohrs entsprach, nach un- ten gestoßen, die sich danach kegelförmig öffnete.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der, daß die Verweildauer der Gasblasen im Mischbehälter wesentlich erhöht wird, da die Gasblasen annähernd von der Oberfläche bis auf den Boden des Mischbehälters gedrückt werden und anschließend den ganzen Weg bis zur Oberfläche noch einmal zurücklegen. Nach dem Abschalten der Misch¬ vorrichtung dauerte es ca. 40 Sek. , bis die letzten Gasblasen aus dem Mischbehälter entwichen waren. Das ist sehr viel länger als bei einer der herkömmlichen Mischvorrichtungen. Der Grund ist darin zu sehen, daß

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die Gasblasen bei dem herkömmlichen Turborührer erst sehr dicht am Be¬ hälterboden entstehen und dann nur noch den Aufwärtsweg zurücklegen. Mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung wird die Verweilzeit annä¬ hernd verdoppelt.

Es wurde auch beobachtet, daß die Gasblasen sich weitgehend gleichmä¬ ßig im gesamten Mischbehälter verteilen. In anderen Worten: Der effektive Verteilungsdurchmesser ist wesentlich größer als der Durchmesser des für die Versuche verwendeten Mischbehälters. Dieser Effekt wurde bei ei- nem Leistungseintrag von nur 1 ,5 kW/ 64 m ³ erreicht - ein Ergebnis, für das mit einer vergleichbaren herkömmlichen Mischvorrichtung minde¬ stens der doppelte Leistungseintrag erforderlich wäre.

Ein ähnlich günstiges und für bestimmte, nachfolgend kurz erwähnte An- wendungsfälle wesentlich vorteilhafteres Ergebnis wurde auch erreicht, wenn das einzumischende Gas unter Druck zugeführt wurde. Auch in die¬ sem Fall wurden die Gasblasen noch immer bis zum Boden des Mischgefä¬ ßes geschossen und anschließend gleichmäßig im gesamten Behälter ver¬ teilt.

Wie die Fig. 6 erkennen läßt, kann die Mischvorrichtung vorzugsweise oberhalb des Flüssigkeitsspiegels mit einemAnschluß 15 zur Einspeisung von Gas in das Leitrohr 3 unter Druck versehen sein. Der Hauptvorteil ei¬ ner dadurch erzwungenen Konvektion ist der, daß die in die Flüssigkeit einzutragende bzw. zu dlspergierende Gasmenge oder Gasrate nicht mehr abhängig ist vom innerhalb des Leitrohrs unmittelbar oberhalb der Axial¬ blätter 8 sich entwickelnden Differenzdrucks, wobei die Saugwirkung eine Funktion der Rührorgandrehzahl, der Größe des Rührorgans, der Ein¬ tauchtiefe sowie des Abstände oder Ringspalts δ zwischen dem Ring 10 und dem Leitrohr 3 ist. Ohne diese funktionale Abhängigkeit ist die Gasein¬ tragmenge bestimmbar und im Prinzip keine Variable mehr. Unter einer solchen alternativen Betriebsbedingung bei Gaszufuhr unter Druck läßt sich mehr Gas in die Flüssigkeit injizieren und die dispergierte Gasmenge läßt sich besser steuern. Bei Versuchen wurde beispielsweise festgestellt.

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daß sich bei gleicher Antriebsleistung für das Rührorgan ein gut lOfacher Gaseintrag (bspw. Luft) erreichen ließ bei einem Gasdruck von ca. 10 bar.

Ein besonderer Vorteil dieser Gaszuführung unter Druck ergibt sich na- türlich bei der Anwendung der Erfindung auf Druckgefäße, wenn die Gas¬ zufuhr, die nicht beschränkt ist auf Sauerstoff oder Wasserstoff unter Druck erfolgen muß. Hierbei kann die Gaszufuhr dann direkt in den Be¬ reich der erwünschten chemischen Reaktion injiziert werden, wobei der Anschluß 15 bis zur erwünschten Reaktionsstelle durchgeführt ist. In die- sem Fall wird kein Sparge-Ring benötigt. Mit dieser Abwandlung der Erfin¬ dung läßt sich die Reaktionsgeschwindigkeit insbesondere bei rasch ab¬ laufenden Reaktionen erheblich erhöhen.

Da die erfindungsgemäße Mischvorrichtung die Gasblasen bis zum Behäl- terboden bringt und genügend Strömung entwickelt, sind jetzt lange Leit¬ rohrsysteme nicht mehr notwendig. Dies beeinflußt die gesamte mechani¬ sche Stabilität des Gesamtsystems äußerst positiv. Allerdings ergibt sich bei einer Verkürzung des Leitrohrs ein neues Problem, nämlich die un¬ gleichmäßige Trombenbildung. Eine unkontrollierte Trombenbildung kann zu mechanischen Problemen führen.

Dieses Problem der ungleichmäßigen Trombenbildung ließ sich jedoch mit einer weiteren Verbesserung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung dadurch beseitigen, daß auf der Außenseite des Leitrohrs 3 eine Mehrzahl von mit gleichem gegenseitigen Winkelabstand sternförmig verteilt ange¬ ordneten und in Axialrichtung des Leitrohrs sich erstreckende Bleche 11 angebracht wurden.

Diese sternförmig angeordneten Bleche 1 1 (vgl. Fig. 6) reichen etwa von der Oberfläche der Flüssigkeit bis kurz über den Ring 10. Die Breite dieser Ble¬ che 1 1 wurde so gewählt, daß der Durchmesser des gesamten Leitrohrs einschließlich der Bleche 1 1 etwa dem des erfindungsgemäßen Axialströ- ers, also einschließlich der äußeren Axialblätter 9 entspricht. Es ließ sich jetzt beobachten, daß eine Trombenbildung auch dann gezielt gesteu-

ert werden konnte bzw. gefördert wurde, wenn die radiale Erstreckung der Bleche 1 1 kleiner oder größer gewählt wurde.

Die Wirkung dieser Stromstörer, d.h. der Bleche 11 ist folgende:

Anstatt eine unkontrollierbare Trombe zu verhindern, entwickelt sich eine der Anzahl der Zwischenräume zwischen den Blechen 1 1 entsprechende Mehrzahl von Tromben, beispielsweise sechs gleichmäßig verteilte Trom- ben wie die Fig. 7 zeigt. Das Zentrum einer dieser Tromben liegt auf der geometrischen Mitte des Leitrohrs 3 und in der Mitte zwischen zwei solcher Stromstörer, also zwischen zwei Blechen 1 1. Da in dem oben erwähnten Beispiel die radialen Abmessungen der Bleche 1 1 so bemessen sind, daß sie mit den äußeren Spitzen der äußeren Axialblätter 9 abschließen, tref¬ fen die Tromben genau auf die Mitte dieser äußeren Axialblätter 9. Durch diese gleichmäßige Verteilung der Tromben wird das gesamte System we¬ sentlich stabiler.

Die jetzt kontrolliert entstehenden Tromben haben andererseits aber ei¬ nen großen Vorteil, nämlich den, daß der Gaseintrag wesentlich höher wird, d.h. bis um den Faktor 10 höher als der Gaseintrag durch das Leit¬ rohr 3. Bei einem Versuch war es möglich, beispielsweise 200 1/min. über das Leitrohr 3 zu drücken. Die ca. lOfache Menge wurde jedoch über die Tromben eingebracht, ohne daß das System überflutete.

Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung läßt sich insbesondere auch we¬ gen des vergleichsweise günstigen Herstellungspreises für eine Vielzahl von Mischprozessen einsetzen. Eine Kategorie wird die sein, bei der der Preis eine große Rolle spielt, so daß Kompressoren und Spargesysteme, die unter dem Flüssigkeitsniveau anzubringen sind, nicht eingesetzt werden. Beispielsweise Abwasseranlagen fallen unter diese Kategorie ebenso wie Anlagen zum Belüften von Seen, beispielsweise für die Fisch- und Krebs¬ zucht. Das neue Mischsystem läßt sich genauso gut dort einsetzen, wo durch einen Druckanstieg eine Gefahrensituation entsteht, zum Beispiel bei der Handhabung von Ozon. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Hoch-

druckreaktoren sowie Fermentationsbehälter aufgrund der Tatsache, daß der Gaseintrag auch bei relativ geringer Eintauchtiefe über eine Höhendif¬ ferenz von 4 m und mehr erfolgen kann.

Der bisher für manche Anwendungsfälle bestehende Nachteil von selbst¬ ansaugenden Rührsystemen, nämlich die vergleichsweise sehr niedrige Gasrate, wird mit der Erfindung überwunden, da das System selbst dann nicht überflutet, wenn Gas über ein geschlossenes Leitrohr unter Druck eingebracht wird. In diesem Fall ergibt sich als weiterer Vorteil, daß keine separate Verrohrung erforderlich ist und verstopfte Auslaßlöcher dement¬ sprechend gar nicht auftreten können.