-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen das Mischen und insbesondere Verfahren
und Vorrichtungen zum Mischen von verschiedenen Fluiden wie z.B.
eines Gases und einer Flüssigkeit
oder von zwei verschiedenen Flüssigkeiten
für industrielle
Anwendungen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Das
Zusammenmischen von verschiedenen Fluiden, wie z.B. eines Gases
und einer Flüssigkeit, oder
von zwei verschiedenen Flüssigkeiten
hat viele industrielle Anwendungen. Das Mischen von Sauerstoff und
einer Flüssigkeit
hat beispielsweise Anwendungen, wie z.B. die Sauerstoffanreicherung
von Wasser für
biologische Zwecke und die Sauerstoffanreicherung von Kraftstoff
vor dem Verbrennen, um den Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern.
Das Mischen von Luft und einer Flüssigkeit kann in den Zellstoff-
und Papier-, Textil- und anderen Industrien in einem Prozess verwendet
werden, der als Flotation in gelöster
Luft bekannt ist, um suspendierte Teilchenmaterialien von der Flüssigkeit
zu trennen. Das Mischen von industriellen Gichtgasen mit einer Flüssigkeit
wie z.B. Wasser ist zum Entfernen von Umweltverunreinigungen aus
den Gichtgasen vor ihrer Freisetzung in die Atmosphäre nützlich.
Das Mischen von verschiedenen Fluiden, wie beispielsweise Öl und Wasser,
hat eine industrielle Anwendung in der Erzeugung von Emulsionen.
Ferner kann eine existierende Emulsion durch Mischen derselben mit
einem anderen Gas oder Fluid, wie beispielsweise Methan, das als
Inhibitor wirkt, um die Rekombination der Bestandteilskomponenten
zu verhindern, sobald sie entmischt sind, in ihre Bestandteilskomponenten getrennt
werden.
-
Eine
spezielle industrielle Anwendung der Gas/Flüssigkeits-Mischung geschieht
in der Zellstoff- und Papierindustrie, wo Schwarzlauge, die ein
Nebenprodukt des Kochens von Holzspänen ist, häufig dadurch recycelt wird,
dass sie als Kraftstoff in Siedekesseln verbrannt wird. Selbst wenn
ein solches Recyceln wirtschaftlich effizient ist, entsteht ein
Emissionsproblem durch die Tatsache, dass unbehandelte Schwarzlauge
Konzentrationen von Natriumsulfid (Na2S)
enthält,
die nicht niedriger als 40 Gramm pro Liter oder mehr sein können. Wenn
unbehandelte Schwarzlauge verbrannt wird, wird folglich das darin enthaltene
Natriumsulfid in Natriumdioxid (SO2) und Schwefelwasserstoff
(H2S) umgewandelt, die als vollständig reduzierte
Schwefel-(TRS) Verbindungen bekannt sind. TRS-Verbindungen sind äußerst schädlich für die Umwelt
und sind daher stark reguliert und dürfen nicht als Komponente von
Siedekessel-Gichtgasen
an die Atmosphäre
freigesetzt werden. Folglich wird Schwarzlauge häufig behandelt, bevor sie verbrannt
wird, um TRS-Emissionen zu verringern oder zu beseitigen.
-
Ein
Verfahren zum Behandeln von Schwarzlauge vor der Verbrennung bestand
darin, sie mit Luft in einem Gas/Flüssigkeits-Mischprozess zu vermischen
oder zu verrühren.
Wenn sie so vermischt wird, wird Natriumsulfid innerhalb der Schwarzlauge in
einer chemischen Oxidations/Reduktions- oder "Redox"-Reaktion mit Sauerstoffmolekülen in der
Luft oxidiert und dadurch in Natriumthiosulfat (Na2S2O3) umgewandelt.
Im Gegensatz zu Natriumsulfid existiert Natriumthiosulfat in einem
stabilen chemischen Zustand und nimmt folglich nicht an chemischen
Reaktionen teil, wenn die behandelte Schwarzlauge in einem Siedekessel
verbrannt wird. Statt dessen fällt Natriumthiosulfat
einfach zum Boden des Siedekessels aus, wo es als Schmelze ausgestoßen wird.
-
Industrielle
Verfahren des Standes der Technik zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten
im Allgemeinen und Luft und Schwarzlauge insbesondere haben das
Einleiten von Luft in Form von Blasen in Schwarzlauge und Rühren des
Gemisches, um die Luftblasen zu zerlegen und sie in der ganzen Lauge zu
verteilen, beinhaltet. Das Ziel besteht natürlich darin, dass Sauerstoffmoleküle in der
Luft mit Natriumsulfidmolekülen
in der Schwarzlauge chemisch reagieren oder diese "oxidieren", was sie während der Verbrennung
der Schwarzlauge inert macht. In einem Prozess des Standes der Technik
wird ein solches Mischen mit rotierenden mechanischen Schlägern mit
Flügeln
durchgeführt,
die auf die Luftblasen während
des Rührens
der Flüssigkeit
auftreffen und diese zerlegen. Das Problem bei einem solchen System besteht
jedoch darin, dass eine natürliche
untere Grenze für
die Größe der resultierenden
Luftblasen besteht, da größere Blasen
nicht auf eine Größe geschnitten
oder zerhackt werden können,
die kleiner ist als die Größe der Schlägerflügel. Folglich
ist die gesamte zusammengesetzte Oberfläche der Luftblasen, die mit
der Schwarzlauge in Kontakt steht, stark begrenzt. Folglich ist
die Wahrscheinlichkeit, dass ein Sauerstoffmolekül innerhalb einer Luftblase
mit einem Natriumsulfidmolekül
innerhalb der Schwarzlauge in Kontakt kommt und dieses oxidiert,
verringert.
-
Ein
weiteres verschlimmerndes Problem und eine Begrenzung der Gas/Flüssigkeits-Mischverfahren
des Standes der Technik im Allgemeinen und von Schwarzlaugen-Oxidationsprozessen
insbesondere entsteht durch die Tatsache, dass die Blasen, die durch
die mechanischen Schlägerflügel der
Mischvorrichtung erzeugt werden, gewöhnlich nicht gleichmäßig über die
ganze Schwarzlauge verteilt werden. Statt dessen agglomerieren oder
konzentrieren sich die Blasen teilweise aufgrund ihrer relativ großen Größe und teilweise
aufgrund der mechanischen Art des Prozesses in Taschen von Blasen,
die durch relative Leerstellen in der Lauge getrennt sind. Dies verringert
die Wahrscheinlichkeit weiter, dass ein Sauerstoffmolekül innerhalb
einer Luftblase mit einem Natriumsulfidmolekül in Kontakt kommt oder dieses "findet", und verringert
folglich den Wirkungsgrad des Oxidationsprozesses. Um diese Ineffizienz anzugehen,
kann es erforderlich sein, viele Male die Menge von Luft, die erforderlich
ist, um das Natriumsulfid zu oxidieren, in den Mischer einzuleiten
und die Mischzeiten beträchtlich
zu verlängern,
um die Wahrscheinlichkeit für
die Oxidation zu erhöhen.
Ein solches rohes Kraftverfahren zum Erhöhen des Oxidationswirkungsgrades
erhöht
jedoch beträchtlich
die Zeit, Energie und die Betriebsmittel, die im Mischprozess erforderlich
sind, und führt
folglich seine eigenen Ineffizienzen ein.
-
Eine
Endbegrenzung von Gas/Flüssigkeits-Mischverfahren
des Standes der Technik, wie auf die Oxidation von Schwarzlauge
angewendet, wird durch die Tatsache auferlegt, dass die Moleküle innerhalb
der Lauge durch schwache molekulare Kräfte, die als Van-der-Waals-Anziehung
bekannt sind, aneinander angezogen werden. Dies führt dazu,
dass die Moleküle
in aneinander angezogene Gruppen zusammenklumpen. In vielen Fällen kann ein
Natriumsulfidmolekül,
das mit einem Sauerstoffmolekül
innerhalb einer Blase in Kontakt kommen muss, um oxidiert zu werden,
innerhalb einer solchen Gruppe von anderen Molekülen innerhalb der Flüssigkeit
umgeben sein und folglich vom Kontakt mit einer Blase und einem
Sauerstoffmolekül
abgeschirmt sein. In diesen Fällen
kann die Oxidation des Natriumsulfidmoleküls ungeachtet des eingeleiteten
Gasvolumens oder der Länge
des Mischprozesses nicht stattfinden. Dies liegt zumindest teilweise
an der Tatsache, dass die auf die Lauge durch die mechanischen Schlägerflügel übertragene
Energie weitaus geringer ist als diejenige, die erforderlich ist,
um die Van-der-Waals-Anziehungen aufzubrechen und eingefangene Moleküle zu befreien.
Dann erlegt die molekulare Van-der-Waals-Anziehung innerhalb der Lauge tatsächlich dem
Prozentsatz der Natriumsulfidmoleküle innerhalb der Schwarzlauge,
die mit herkömmlichen
Gas/Flüssigkeits-Mischverfahren
oxidiert werden können,
eine physikalische Grenze auf.
-
JP 62 213895 offenbart
ein Verfahren zum Reinigen einer Verunreinigung durch Erzeugen von Wärme durch
ein Verfahren, bei dem ein Rotor und ein Stator in einem hermetisch
abgeschlossenen Gehäuse
vorgesehen sind, um zu veranlassen, dass sie sich einander annähern, und
ein Drehantriebsmittel zum Drehen des Rotors mit einer hohen Drehzahl
ist auf einer Seite des Gehäuses
vorgesehen.
JP 55 102491 beschreibt
ein kontinuierliches Verfahren für die
Klärung
von Abwasser. Um Abwasser vollständig und
schnell zu klären,
ohne unzersetzte Verunreinigungen zu hinterlassen, indem Abwasser
einer kontinuierlichen Oxidationsbehandlung unterzogen wird, in
der O
2 enthaltendes Abwasser in einen Rotor
eingeleitet wird, dessen Flussdichte veränderbar ist, und Verunreinigungen
im Abwasser durch Oxidation zersetzt werden.
JP 60 226594 offenbart die Modifikation
von Heizöl
und eine Einheit dafür.
Um die Modifikation durch Einleiten von sowohl Heizöl als auch
O
2 enthaltendem Gas in ein Gehäuse durchzuführen, in dem
ein Magnetfeld erzeugt wird, gefolgt von der Erzeugung von sowohl
Hohlraumbildung als auch einer induzierten elektromotorischen Kraft,
um das Heizöl in
einen angeregten Zustand zu zersetzen, um dessen Verbrennungsstabilität zu verbessern
und die Koksbildung zu verringern. EP-A-0515732 beschreibt eine
Vorrichtung zum Ändern
von viskosen Flüssigkeiten
mit Gas durch Ultraschallwandler. Die Vorrichtung besitzt zwei aktive
Elemente, ein mechanisches Hohlraumbildungselement in Form einer scheibenförmigen,
sich schnell drehenden Scheibe mit axialen Bohrungen und einer Resonanzkammer, die
durch eine Vielzahl von Ultraschallelementen bestrahlt wird, die
in Paaren angeordnet sind, die einander gegenüber liegen. Stromabwärts der
Resonanzkammer befindet sich ein Amplitudentransformator, mittels
dessen die Frequenz verringert und die Amplitude vergrößert wird.
Gas/Flüssigkeits-Suspensionen
werden erreicht, die eine Blasengröße von 2 bis 3 μm aufweisen.
EP-A-1110598 offenbart ein Verfahren und eine Einheit zum Verarbeiten
von verunreinigter Flüssigkeit.
Für eine
solche Umwandlung von einer schädlichen
Verbindung in einer verunreinigten Flüssigkeit in eine harmlose Verbindung
unter Verwendung eines Reaktionsmittels sind eine Vielzahl von Rührern in
einer vertikalen Übereinanderlagerung
innerhalb einer geschlossenen Rührkammer angeordnet
und, nachdem die verunreinigte Flüssigkeit in die Rührkammer
gefüllt
ist, werden die Rührer zur
Drehung mit einer hohen Drehzahl in einem Bereich von 10000 bis
18000 U/min angetrieben, um ein Feld von superkritischen Bedingungen
zu erzeugen, in dem freie Radikale von der schädlichen Verbindung freigesetzt
und vom Reaktionsmittel gekoppelt werden. Weder eine Hochtemperaturerwärmung noch
eine Druckbeaufschlagung mit hohem Pegel ist für die Verarbeitung der verunreinigten
Flüssigkeit
erforderlich.
-
Folglich
existiert ein spezieller Bedarf für ein Gas/Flüssigkeits-Mischverfahren
und eine Vorrichtung, die auf die Oxidation von Schwarzlauge in
der Zellstoff- und Papierindustrie anwendbar sind und die die Probleme,
Mängel
und Begrenzung von Prozessen des Standes der Technik beseitigen.
Allgemeiner existiert ein Bedarf für ein neues und einzigartiges Verfahren
zum Mischen von verschiedenen Fluiden, ob es Gase und Flüssigkeiten,
verschiedene Flüssigkeiten
oder anderes sind, das sehr effizient ist, das zu einem theoretisch
vollständigen
Mischen in einer kurzen Zeit und mit einem Minimum an erforderlicher Energie
und Betriebsmitteln führt
und im Fall von Oxidationsanwendungen die physikalischen Grenzen des
Oxidationswirkungsgrades beseitigt, die durch die molekulare Van-der-Waals-Anziehung
auferlegt werden. Es ist die Bereitstellung eines solchen Verfahrens
und einer solchen Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, auf das
sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich richtet.
-
Für die Deutlichkeit
der Offenbarung und Erörterung
wird die vorliegende Erfindung hierin hauptsächlich im Zusammenhang mit
ihrer Anwendung auf die Oxidation von Umweltverunreinigungen wie
z.B. Natriumsulfid in Schwarzlauge innerhalb der Zellstoff- und
Papierindustrie erörtert.
Eine solche Anwendung wird von den Erfindern als beste Art zur Ausführung der
Erfindung betrachtet. Es ist jedoch selbstverständlich und zu erkennen, dass
das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung auf theoretisch
jegliche Situation anwendbar sind, in der verschiedene Fluide für industrielle
oder kommerzielle Zwecke miteinander vermischt werden sollen. Die
Erfindung ist beispielsweise in der Zellstoff- und Papierindustrie
allein auf eine Vielfalt von Prozessen anwendbar, einschließlich Mikromischen
vor Vergasung, Vermischen von Gichtgasen mit Schwarzlauge in Verdampfern
mit direktem Kontakt, Vermischen von Salzkuchen und Schwarzlauge,
Zellstofftrocknen, Schlammentwässerung,
Sauerstoff-Delignifizierung,
Zellstoffbleichen durch Mischen von Zellstoff mit Ozon oder anderen
geeigneten Gasen und Zerstäubung
von Schwarzlauge vor ihrer Verwendung in einem Rückgewinnungssiedekessel. In
der Erdölindustrie
ist die Erfindung unter anderem auf die Trennung von dichten Emulsionen
unter Verwendung von Mikromischen und auf die Schwerölveredelung
anwendbar. Innerhalb der Nahrungsmittelverarbeitungsindustrie hat
die Mischmethodologie der Erfindung Anwendung in der Homogenisierung,
Sauerstoffanreicherung und Gewürzmischprozessen.
Anwendungen innerhalb der Umweltindustrie umfassen Oxidation/Reduktion
von Flüssigkeiten
oder Komponenten von Flüssigkeiten,
Konzentration und Verdampfung, BOD- und COD-Reduktion, Flotation
in gelöster
Luft und Kraftstoffbelüftung.
Folglich sollte die Erörterung
der Erfindung hierin im Zusammenhang mit der Schwarzlaugeoxidation
nicht als Begrenzung der Erfindung, sondern nur als Darstellung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels oder
einer bevorzugten Anwendung und einer besten Art zur Ausführung der
Erfindung interpretiert werden.
-
Die
Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen
von Anspruch 1 erreicht.
-
Kurz
beschrieben, umfasst die vorliegende Erfindung in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel derselben
ein einzigartiges und sehr effizientes Verfahren zum Zusammenmischen
von verschiedenen Fluiden durch mechanisches Induzieren einer Hohlraumbildung
innerhalb der Fluide in einer gesteuerten Weise. Das Ergebnis und
das Ziel bestehen darin, das Mischen auf einem mikroskopischen Niveau, eine
gleichmäßige Verteilung
von einem Fluid innerhalb eines anderen und ein Aufbrechen von Van-der-Waals-Anziehungen
zwischen Molekülen
innerhalb der Fluide zu erhalten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
und in der besten Art umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Oxidieren
von für
die Umwelt gefährlichen
Verbindungen wie z.B. Natriumsulfid innerhalb der Schwarzlauge in
der Zellstoff- und Papierindustrie durch Mischen von Luft mit Schwarzlauge
unter Verwendung einer gesteuerten mechanisch induzierten Hohlraumbildung.
Das Ergebnis ist eine theoretisch vollständige Oxidation der gefährlichen
Verbindungen und folglich das Sicherstellen, dass Umweltgifte nicht
erzeugt werden, wenn die Schwarzlauge verbrannt wird.
-
Die
Methodologie der Erfindung im Zusammenhang mit der Oxidation von
Schwarzlauge umfasst die Schritte des Einleitens und Mitnehmens
von Luft in Form von Blasen in einen Strom von Schwarzlauge, um
ein Gemisch von Schwarzlauge und Luftblasen zu erzeugen. Das Lauge/Luftblasen-Gemisch wird
dann in einen Unterwasserschallmischer geleitet, der im Allgemeinen
einen sich schnell drehenden Rotor umfasst, der innerhalb einer
zylindrischen Kammer innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist. Der Rotor
ist mit einer oder mehreren Anordnungen von relativ flachen Löchern oder
Bohrungen versehen, die um seinen Umfang ausgebildet sind. Ein Raum,
der hierin als Hohlraumbildungszone bezeichnet wird, ist zwischen
dem Umfang des Rotors und der zylindrischen Wand der Gehäusekammer
ausgebildet.
-
Wenn
das Gemisch von Gasblasen und Schwarzlauge durch die Hohlraumbildungszone strömt, werden
mikroskopische Hohlraumbildungsblasen kontinuierlich erzeugt und
fallen innerhalb des Gemisches durch die Wirkung der Bohrungen am Umfang
des sich drehenden Rotors zusammen. Das Zusammenfallen
dieser Hohlraumbildungsblasen erzeugt eine heftige und kontinuierliche
Hohlraumbildung innerhalb des Gas/Fluid-Gemisches in der Hohlraumbildungszone
und die Energie dieser Hohlraumbildung wirkt, um die Luftblasen
innerhalb des Gemisches in noch kleinere Blasen oder Einheiten zu zerlegen.
Da die minimale Größe der Luftblasen
nicht begrenzt ist, wie in Mischern des Standes der Technik, werden
die Luftblasen durch die Hohlraumbildung in Millionen von im Wesentlichen
mikroskopischen Blasen verkleinert. Folglich ist die gesamte Oberfläche von
Luftblasen in Kontakt mit Schwarzlauge signifikant größer als
in Mischern des Standes der Technik. Die vergrößerte Oberfläche erhöht die Wahrscheinlichkeit,
dass ein Sauerstoffmolekül
innerhalb einer Luftblase mit einem Natriumsulfidmolekül innerhalb
der Schwarzlauge in Kontakt kommt und dieses oxidiert. Aufgrund
der relativ heftigen Rührung
innerhalb der Hohlraumbildungszone, die durch die Rotorbewegung
und Hohlraumbildungseffekte verursacht wird, werden ferner diese
mikroskopischen Luftblasen vollständig und gleichmäßig in der
ganzen Schwarzlauge vermischt, was die Wahrscheinlichkeit für einen
Kontakt zwischen einem Sauerstoffmolekül und einem Natriumsulfidmolekül weiter
verbessert. Schließlich
ist die auf das Gemisch durch die Hohlraumbildung innerhalb der
Hohlraumbildungszone übertragene
Energie mehr als ausreichend, um die Van-der-Waals-Anziehung zwischen Molekülen innerhalb
der Schwarzlauge zu überwinden.
Dies zerlegt die Molekülklumpen
und befreit die Natriumsulfidmoleküle, die durch andere Moleküle innerhalb
der Schwarzlauge ummantelt oder abgeschirmt sein können. Diese befreiten
Moleküle
stehen dann zur Verfügung,
um durch ein Sauerstoffmolekül
innerhalb einer der mikroskopischen Luftblasen kontaktiert und oxidiert
zu werden.
-
Infolge
der Erzeugung und gleichmäßigen Verteilung
von Mikroblasen und dem Aufbrechen der Van-der-Waals-Anziehungen
wird eine theoretisch vollständige
Oxidation der Natriumsulfidkomponente der Schwarzlauge innerhalb
des Unterwasserschallmischers bewerkstelligt. (Eine kleine Menge
an Oxidation kann natürlich
auch außerhalb
des Mischers auftreten, wie beispielsweise in den Zuführungs-
und Auslassleitungen des Systems.) Ferner kann der Prozess durch
Auswählen
der Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Menge an Luft, die anfänglich in die
Schwarzlauge eingeführt
wird, genau gesteuert werden, so dass die vollständige Oxidation innerhalb einer
minimalen Zeit und mit einem Minimum an Energie und erforderlicher
Einführung
von Luft durchgeführt
wird. Das Gesamtergebnis ist ein Gas/Flüssigkeits-Mischprozess, der
weitaus effizienter, schneller und wirksamer ist als es mit mechanischen
Mischern des Standes der Technik möglich ist. Sobald das Natriumsulfid
in der Schwarzlauge oxidiert wurde, kann die behandelte Schwarzlauge
in einem Siedekessel verbrannt werden, wobei ein Minimum an Umweltgiften
erzeugt und an die Atmosphäre
in Gichtgasen freigesetzt wird.
-
Folglich
wird nun ein Verfahren zum Mischen von verschiedenen Fluiden wie
z.B. Luft und Schwarzlauge bereitgestellt, das die Probleme und Mängel des
Standes der Technik angeht und beseitigt. Das Verfahren ist sehr
effizient und wirksam und führt
zu einer theoretisch vollständigen
Oxidation von Zielkomponenten innerhalb von Schwarzlauge und anderen
Flüssigkeiten.
Diese und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Methodologie
dieser Erfindung werden bei der Überprüfung der
nachstehend dargelegten ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungsfiguren besser ersichtlich,
die folgendermaßen
kurz beschrieben werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine teilweise Schnittansicht, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zum Mischen von verschiedenen Fluiden wie z.B.
eines Gases und einer Flüssigkeit
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
-
2 ist
eine Darstellung der Vorrichtung von 1, die in
einem System zum Oxidieren von Schwarzlauge zur Verwendung in der
Zellstoff- und Papierindustrie funktioniert.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Wie
vorstehend erwähnt,
wird die Methodologie der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit
ihrer Anwendung auf die Oxidation von umweltschädlichen Verbindungen in Schwarzlauge
in der Zellstoff- und Papierindustrie beschrieben. Obwohl dies eine
bevorzugte Anwendung und eine beste Art zur Ausführung der Erfindung darstellt,
ist es selbstverständlich,
dass die Erfindung zahlreiche andere Anwendungen hat, wo auch immer
das Mischen von verschiedenen Fluiden erforderlich ist. In dieser
Hinsicht werden zahlreiche Beispiele der Anwendung der vorliegenden
Erfindung in anderen Mischumgebungen nach der ausführlichen
Beschreibung ihrer Anwendung auf die Schwarzlauge-Oxidation beschrieben.
-
Mit
genauerem Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Ziffern
auf gleiche Teile in den ganzen verschiedenen Ansichten beziehen, stellt 1 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Unterwasserschallmischers zum Ausführen der vorliegenden Erfindung
dar. Der Unterwasserschallmischer 11 umfasst ein zylindrisches
Gehäuse 12, das
eine innere zylindrische Kammer 15 festlegt. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist das Gehäuse 12 aus
einem Kasten 13 gebildet, der mit einer Endplatte 14 abgedeckt
ist, die am Kasten mit Schrauben 16 befestigt ist. Offensichtlich
kann das Gehäuse 12 jedoch
in anderen Weisen ausgebildet sein, wie beispielsweise einem zentralen
zylindrischen Mantel, der mit zwei Endplatten abgedeckt ist.
-
Ein
zylindrischer Rotor 17 ist innerhalb der zylindrischen
Kammer 15 des Gehäuses
angeordnet und ist an einer sich axial erstreckenden Welle 18 montiert.
Die Welle 18 ist an beiden Seiten des Rotors innerhalb
Lageranordnungen 19 zapfengelagert, die wiederum innerhalb
Lageranordnungsgehäusen 21 montiert
sind. Die Lageranordnungsgehäuse 21 sind
an dem Gehäuse 21 mittels
geeigneter Befestigungsvorrichtungen wie z.B. Schrauben 22 befestigt. Die
Welle 18 steht von einem der Lagergehäuse 21 vor, damit
sie mit einem Antriebsmittel wie z.B. einem Elektromotor 46 (2)
gekoppelt wird. Folglich ist zu sehen, dass der Rotor 17 innerhalb
der zylindrischen Kammer 15 in der Richtung der Pfeile 23 gedreht
oder rotiert werden kann, indem der mit der Welle 18 gekoppelte
Motor 46 aktiviert wird.
-
Der
Rotor 17 besitzt eine Umfangsfläche, die mit einer oder mehreren
sich auf dem Umfang erstreckenden Anordnungen von Unregelmäßigkeiten
in Form von relativ flachen Löchern
oder Bohrungen 24 ausgebildet ist. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Rotor 17 mit zwei Anordnungen von Bohrungen 24 versehen,
die durch eine Leerstelle 26 getrennt sind, deren Zweck
nachstehend genauer beschrieben wird. Es sollte jedoch selbstverständlich sein,
dass nach Wunsch in Abhängigkeit
von der beabsichtigten Anwendung des Unterwasserschallmischers 11 weniger
oder mehr als zwei Anordnungen von Bohrungen in der Umfangsfläche des
Rotors vorgesehen sein können.
Ferner können
auch andere Unregelmäßigkeiten
als Löcher
oder Bohrungen vorgesehen sein. Der Rotor 17 ist relativ
zur zylindrischen Kammer 15 bemessen, in der er aufgenommen
ist, um einen Raum, der hierin als Hohlraumbildungszone 32 bezeichnet
wird, zwischen der Umfangsfläche
des Rotors und der zylindrischen Wand der Kammer 15 zu
definieren.
-
Einlassöffnungen 25 sind
im Gehäuse 12 zum
Zuführen
von zu mischenden Fluiden zur inneren Kammer 15 innerhalb
des Gehäuses
vorgesehen. Zuführungsleitungen 30 sind
mit den Einlassöffnungen 25 gekoppelt.
Eine Flüssigkeitszuführungsleitung 27 ist
mit den Zuführungsleitungen 30 zum Zuführen von
Flüssigkeit
wie z.B. Schwarzlauge in den Unterwasserschallmischer 11 gekoppelt.
Eine Gaszuführungsleitung 28 steht
mit der Flüssigkeitszuführungsleitung 27 zum
Einleiten und Mitnehmen von Gas in Form von Blasen innerhalb des
Stroms von Flüssigkeit,
der durch die Flüssigkeitszuführungsleitung 27 strömt, in Verbindung.
-
Im
Fall der Schwarzlauge-Oxidation, in deren Zusammenhang die vorliegende
Erfindung beschrieben wird, wird Schwarzlauge durch die Gaszuführungsleitung 28 geliefert.
Am Übergang
der Flüssigkeitszuführungsleitung 27 und
der Gaszuführungsleitung 28 bilden
die Schwarzlauge und die Luft ein Gas/Flüssigkeits-Gemisch in Form von
relativ großen
Luftblasen 31, die innerhalb des Stroms von Schwarzlauge 29 mitgeführt werden.
Dieses Gemisch von Schwarzlauge und Luftblasen wird in die zylindrische
Kammer 15 des Gehäuses 12 durch
die Zuführungsleitungen 30 und
Einlassöffnungen 25 geleitet,
wie gezeigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Einlassöffnung 25 auf
beiden Seiten des Gehäuses 12 vorgesehen,
um den hydraulischen Druck am Rotor 17 auszugleichen, um
eine übermäßige Beanspruchung
an den Lageranordnungen 19 zu verhindern. Diese spezielle
Konfiguration ist jedoch keine Begrenzung der Erfindung und andere
Konfigurationen von Einlassöffnungen
können
vorgesehen werden, falls erwünscht.
-
Eine
Auslassöffnung 35 ist
im Gehäuse 12 vorgesehen
und befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel in der zylindrischen
Wand des Gehäuses,
um mit der Hohlraumbildungszone 32 in einem Bereich des
Rotors zwischen den Anordnungen von Bohrungen 24 in Verbindung
zu stehen. Der Ort der Auslassöffnung 35 in
dieser Weise stellt sicher, dass das ganze Volumen des Gas/Flüssigkeits-Gemisches
zumindest eine der Anordnungen von Bohrungen 24 durchquert
und sich folglich vor dem Verlassen des Unterwasserschallmischers 11 durch
eine Hohlraumbildungszone bewegt. Ferner verhindert der Ort der
Auslassöffnung 35 innerhalb
des Bereichs der inneren Kammer 15, der auf die Leerstelle 26 des
Rotors ausgerichtet ist, eine Hohlraumbildungsbeschädigung,
die ansonsten auftreten könnte, wenn
die Auslassöffnung 35 auf
eine Anordnung von Bohrungen 24 ausgerichtet wäre. Eine
Auslassleitung 33 ist mit der Auslassöffnung 35 zum Aufnehmen
von behandelter Schwarzlauge und überschüssiger Luft vom Unterwasserschallmischer 11 und zum
Liefern derselben zu einer entfernten Stelle zum Trennen der überschüssigen Luft
von der behandelten Schwarzlauge und zur anschließenden Verwendung
der behandelten Schwarzlauge gekoppelt.
-
Im
Betrieb funktioniert der Unterwasserschallmischer 11 von 1 zum
Oxidieren von umweltschädlichen
Verbindungen innerhalb der Schwarzlauge im Wesentlichen wie folgt.
Schwarzlauge, die unter vielen anderen Komponenten die umweltschädliche Verbindung
Natriumsulfid enthält, wird
durch die Flüssigkeitszuführungsleitung 27 zur Zuführungsleitung 30 gepumpt.
Luft wird durch die Gaszuführungsleitung 28 zum
Strom von Schwarzlauge geliefert und die Luft und die Schwarzlauge
bilden ein Gemisch, das aus relativ großen Luftblasen 31 besteht,
die innerhalb der Schwarzlauge 29 mitgenommen werden. Das
Schwarzlauge/Luftblasen-Gemisch bewegt sich durch die Zuführungsleitungen 30 und
tritt in die Kammer 15 durch Zuführungsöffnungen 25 auf beiden
Seiten des Rotors 17 ein.
-
Von
den Zuführungsöffnungen 25 bewegt sich
das Gemisch in Richtung des Umfangs des sich schnell drehenden Rotors 17 und
tritt in die Hohlraumbildungszonen 32 im Bereich der Bohrungen 24 ein.
Wie in beträchtlichem
Detail in unserem vorher ausgegebenen US-Patent Nr. 5 188 090 beschrieben,
dessen Offenbarung durch den Hinweis hiermit aufgenommen wird, werden
innerhalb der Hohlraumbildungszonen 32 Millionen von mikroskopischen Hohlraumbildungsblasen
in dem Gemisch innerhalb und um die sich schnell bewegenden Bohrungen 24 am
Rotor gebildet. Da diese Hohlraumbildungsblasen instabil sind, fallen
sie nach ihrer Bildung schnell zusammen. Folglich bilden sich die
Millionen von mikroskopischen Hohlraumbildungsblasen kontinuierlich
und fallen innerhalb und um die Bohrungen 24 des Rotors
zusammen, wobei durch die Hohlraumbildung induzierte Schockwellen
erzeugt werden, die sich durch das Gemisch in einem heftigen, wenn auch
lokalisierten Prozess ausbreiten.
-
Wenn
sich das Gemisch von Schwarzlauge und relativ großen Luftblasen
in und durch die Hohlraumbildungszonen 32 bewegt, werden
die Luftblasen in dem Gemisch mit den mikroskopischen Hohlraumbildungsblasen
beschossen, wenn sie sich bilden, und werden ferner von den Hohlraumbildungsschockwellen
getroffen, die erzeugt werden, wenn die Hohlraumbildungsblasen zusammenfallen.
Dies führt
zu einem "Zerhacken" der relativ großen Luftblasen
in kleinere Luftblasen, die selbst in noch kleinere Luftblasen zerhackt
werden, und so weiter in einem Prozess, der sehr schnell stattfindet.
Da die Hohlraumbildungsblasen, die die Verkleinerung der Luftblasen
in noch kleinere Luftblasen verursachen, eine mikroskopische Größe besitzen,
existiert die praktische untere Grenze für die Größe der resultierenden Luftblasen,
die mechanischen Mischverfahren des Standes der Technik innewohnt,
nicht. Folglich werden die ursprünglichen
Luftblasen kontinuierlich zerhackt und zu Millionen von winzigen
mikroskopischen Luftblasen innerhalb der Hohlraumbildungszone verkleinert.
Das Ergebnis ist eine gesamte zusammengesetzte Luftblasenoberfläche in Kontakt
mit der Schwarzlauge, die weitaus größer ist als die in Mischverfahren
des Standes der Technik mögliche. Folglich
wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Sauerstoffmolekül in einer
Luftblase ein Natriumsulfidmolekül
innerhalb der Schwarzlauge "findet" und mit diesem in
Kontakt kommt, erheblich erhöht.
-
Zusätzlich zum
Erzeugen einer viel größeren Oberfläche von
Luft, die die Schwarzlauge kontaktiert, bewirkt die schnelle Drehbewegung
des Rotors innerhalb des Gehäuses
in Verbindung mit der turbulenten Hohlraumbildungsaktivität in den
Hohlraumbildungszonen die sehr kleinen Luftblasen, die erzeugt werden,
damit sie in der Schwarzlauge in einer äußerst gleichmäßigen Weise
verteilt werden. Dies erhöht
die Wahrscheinlichkeit weiter, dass Sauerstoffmoleküle innerhalb
der Luftblasen mit Natriumsulfidmolekülen innerhalb der Schwarzlauge
in Kontakt kommen. Eine solche gleichmäßige Verteilung von Luftblasen
in der ganzen Flüssigkeit
wurde durch Beobachten des elektrischen Stroms, der von einem Elektromotor,
der den Rotor antreibt, entnommen wird, bestätigt. Wenn Luftblasen in den
Strom von Schwarzlauge eingeführt
werden, erreicht dieser Strom schnell einen Gleichgewichtspunkt,
an dem er für
einen gegebenen Strom von Luft in die Schwarzlauge äußerst konstant
bleibt. Wenn die Luftblasen nicht gleichmäßig verteilt wären, würde der
vom Motor entnommene Strom schwanken, da der Motor auf Taschen von
mehr und weniger gleichmäßig verteilten
Blasen innerhalb der Schwarzlauge treffen würde. Folglich bestätigt die
gleichmäßige Stromentnahme
die gleichmäßige Verteilung
von Blasen in der ganzen Schwarzlauge.
-
Schließlich überträgt die heftige
Hohlraumbildungsaktivität
innerhalb der Hohlraumbildungszone auf das Gemisch eine ausreichende
Energie, um die molekularen Van-der-Waals-Anziehungen zwischen den
Molekülen
innerhalb der Schwarzlauge aufzubrechen oder zu lockern. Dies führt zu einem Aufbrechen
von Molekülanhäufungen
innerhalb der Schwarzlauge, wodurch Natriumsulfidmoleküle befreit
werden, die von anderen Molekülen
innerhalb der Lauge umgeben und abgeschirmt sein können. Diese
befreiten Moleküle
stehen dann zur Verfügung, um
mit einem Sauerstoffmolekül
innerhalb einer Luftblase in Kontakt zu kommen und dadurch oxidiert
zu werden. Daher wirkt sich die Methodologie dieser Erfindung auch
auf die Schwarzlauge auf molekularer Ebene aus, um den Prozentsatz
von Natriumsulfidmolekülen
innerhalb der Schwarzlauge, die oxidiert werden, zu verbessern und
zu erhöhen.
-
Nachdem
die Schwarzlauge behandelt und ihre für die Umwelt gefährlichen
Verbindungen oxidiert wurden, wie beschrieben, strömt sie aus
der Kammer 15 zusammen mit restlichen Luftblasen durch
die Auslassöffnung 35 aus.
An diesem Punkt beginnt die überschüssige Luft
innerhalb der Schwarzlauge schnell, sich zu immer größeren Luftblasen
zu agglomerieren, die sich aufgrund ihres Auftriebs natürlich von
der Schwarzlauge trennen. Die oxidierte Schwarzlauge, die wesentlich
kleinere Mengen an Natriumsulfid als bei Mischprozessen des Standes
der Technik enthält,
kann als Kraftstoff in der gewöhnlichen
Weise verwendet werden, ohne unannehmbare Niveaus von Umweltgiften
zu erzeugen, wie vorstehend beschrieben.
-
2 stellt
in einer vereinfachten schematischen Form die Anwendung der vorliegenden
Erfindung zum Oxidieren von Schwarzlauge in einer industriellen
Einrichtung innerhalb der Zellstoff- und Papierindustrie dar. Ein
Unterwasserschallmischer 11 gemäß der vorliegenden Erfindung
wird durch einen herkömmlichen
Elektromotor 46 angetrieben, der den Rotor innerhalb des Mischers
mit einer schnellen Geschwindigkeit dreht oder rotiert. Ein Haltetank 41 enthält ein Volumen
von unbehandelter Schwarzlauge 42. Die unbehandelte Schwarzlauge 42 wird
vom Haltetank 41 durch eine Pumpe 43 in die Einlassöffnungen
des Unterwasserschallmischers 11 gepumpt. Luft wird in
Form von Blasen innerhalb des Stroms von Schwarzlauge durch die
Gaszuführungsleitung 28 zugeführt und
darin mitgerissen. Das zum Strom von Schwarzlauge gelieferte Luftvolumen
ist mit einem Ventil 44 steuerbar. Wenn das Schwarzlauge/Luftblasen-Gemisch
durch den Unterwasserschallmischer 11 strömt, werden
umweltschädliche Verbindungen
innerhalb der Schwarzlauge oxidiert und inert gemacht, wie vorstehend
beschrieben. Die behandelte Schwarzlauge und überschüssige Luft 34 werden
dann zu einem Speichertank 48 geliefert, in dem überschüssige Luft 51 innerhalb
der Schwarzlauge 49 sich durch Schwimmen zur Oberfläche der Schwarzlauge
natürlich
abtrennt. Die überschüssige Luft
kann durch eine Lüftungsöffnung 52 entlüftet werden.
Die restliche Schwarzlauge, deren umweltschädliche Verbindungen oxidiert
sind, kann dann aus dem Speichertank 48 durch eine Leitung 53 und ein
Ventil 54 für
die anschließende
umweltsaubere Verbrennung entnommen werden, um Wärme zu liefern, wo sie im Papierherstellungsprozess
erforderlich ist.
-
Wie
vorstehend erwähnt,
wurde die Methodologie der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang
mit der Oxidation von umweltschädlichen
Verbindungen innerhalb Schwarzlauge in der Zellstoff- und Papierindustrie
beschrieben. Das Verfahren ist jedoch gleichermaßen auf eine breite Vielfalt
von industriellen Prozessen anwendbar, von denen einige kurz folgendermaßen erörtert werden.
-
1. Oxidation:
-
Der
Begriff "Oxidation" wird in dieser ganzen Patentbeschreibung
verwendet, um auf eine Wechselwirkung zwischen zwei Verbindungen
Bezug zu nehmen, in der eine chemische Reaktion zwischen den Verbindungen
auftritt. Die Oxidation kann wie im Fall der vorstehend erörterten
Oxidation von Schwarzlauge eine chemische Reaktion mit Sauerstoff
beinhalten; der Begriff "Oxidation", wie hierin verwendet,
soll jedoch nicht auf solche Reaktionen begrenzt sein, sondern vielmehr
chemische Reaktionen zwischen beliebigen Elementen und/oder Verbindungen
umfassen. Solche Reaktionen können klassische Oxidations/Reduktions-Reaktionen
sowie andere Arten von chemischen Reaktionen umfassen. Die Oxidation
von umweltschädlichen
Verbindungen innerhalb Schwarzlauge in der Zellstoff- und Papierindustrie,
wie vorstehend beschrieben, ist ein Beispiel der Anwendung der vorliegenden
Erfindung zur Oxidation. Andere Beispiele umfassen, sind jedoch nicht
begrenzt auf die Erfüllung
der Anforderungen des biologischen Sauerstoffbedarfs (BOD) und des chemischen
Sauerstoffbedarfs (COD) in der Abwasserbehandlungsindustrie vor
dem Abführen
von behandeltem Abwasser in Flüsse.
Zusätzlich
zur Oxidation von Schwarzlauge in der Zellstoff- und Papierindustrie
kann auch Frischlauge zur Verwendung in Bleichvorgängen oxidiert
werden. Allgemein ist die Methodologie der vorliegenden Erfindung
auf eine beliebige Situation anwendbar, in der eine Substanz mit
einer anderen derart vermischt werden soll, dass eine chemische
Reaktion zwischen den Substanzen oder einer Verbindung, die ein
einteiliger Teil von einer oder mehreren der Substanzen ist, auftritt.
-
2. Sauerstoffanreicherung:
-
Das
Mischen von Sauerstoff (oder eines anderen Gases) mit einer Flüssigkeit
in einer solchen Weise, dass die Sauerstoffmoleküle durch Van-der-Waals-Anziehungen
zwischen den Flüssigkeitsmolekülen eingefangen
und gehalten werden, ist als Sauerstoffanreicherung bekannt. Die
Sauerstoffanreicherung unterscheidet sich von der Oxidation darin,
dass eine chemische Reaktion zwischen den Gas- und Flüssigkeitsmolekülen nicht
stattfindet, sondern statt dessen die Gasmoleküle in der Flüssigkeit
gelöst
werden und zwischen den Flüssigkeitsmolekülen locker
gehalten werden. Die Sauerstoffanreicherung von Flüssigkeiten
hat beispielsweise Anwendungen in der Sauerstoffanreicherung von
Kraftstoffen und Heizölen,
um den Verbrennungswirkungsgrad in Siedekesseln zu verbessern, und
in der Sauerstoffanreicherung von Wasser in Aquarien und anderen
Wassertanks, um wesentlichen Sauerstoff zu den Wassertieren zu liefern.
Mit Sauerstoff angereichertes Trinkwasser wird auch unter vielen
Leuten populär.
-
Eine
effiziente und wirksame Sauerstoffanreicherung von Flüssigkeiten
kann mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ganz in derselben
Weise wie die Oxidation erhalten werden. Luft in Form von Blasen
wird in die mit Sauerstoff anzureichernde Flüssigkeit eingeführt und
das Gemisch wird in den Unterwasserschallmischer eingeleitet, wo
die Luftblasen in Millionen von mikroskopischen Blasen durch Hohlraumbildungseffekte überführt werden. Die
mikroskopischen Luftblasen werden dann gleichmäßig in der Flüssigkeit
verteilt und gleichzeitig werden die Van-der-Waals-Anziehungen zwischen
den Flüssigkeitsmolekülen durch
die Hohlraumbildungseffekte geschwächt oder aufgebrochen. Anschließend, wenn
die Moleküle
wieder beginnen, sich infolge der Van-der-Waals-Anziehungen zusammenzuhäufen, werden
Luft- oder Sauerstoffmoleküle
innerhalb der Anhäufungen
von Flüssigkeitsmolekülen eingefangen
und gehalten und die Flüssigkeit
wird mit Sauerstoff angereichert. Aufgrund der äußerst kleinen Luftblasen, der
gleichmäßigen Verteilung
und der Van-der-Waals-Effekte führt
die Methodologie der vorliegenden Erfindung zu einem wesentlich
verbesserten Sauerstoffanreicherungswirkungsgrad gegenüber Verfahren
des Standes der Technik.
-
3. Wärmegewinnung von Gichtgasen:
-
In
einigen Anwendungen ist es erwünscht, die
Wärme von
Gichtgasen zu gewinnen, die von Öfen
und Siedekesseln ausgehen, und die gewonnene Wärme in einer konstruktiven
Weise zu verwenden, um eine Flüssigkeit
zu erwärmen.
Das Mischen der heißen
Gichtgase mit einer Flüssigkeit
ist ein Verfahren zum Übertragen
der Wärme
der Gichtgase in die Flüssigkeit.
Andere Verfahren wie z.B. Leiten der Gase durch einen Wärmetauscher,
der in die Flüssigkeit
eingetaucht ist, wurden auch verwendet, um dieses Ziel zu erreichen.
Die Methodologie der vorliegenden Erfindung ist beim Übertragen
von Wärme von
heißen
Gichtgasen auf eine Flüssigkeit
besonders effizient. In einer solchen Anwendung werden die heißen Gichtgase
in einen Strom von Flüssigkeit eingeleitet
und das Gemisch wird in den Unterwasserschallmischer geleitet. Hier
werden die Gichtgase wie bei der Oxidation und Sauerstoffanreicherung gleichmäßig in der
ganzen Flüssigkeit
verteilt. Aufgrund der großen
zusammengesetzten Kontaktfläche
zwischen den Blasen der heißen
Gichtgase und der Flüssigkeit
wird die Wärme
der Gase effizient und wirksam auf die Flüssigkeit übertragen. Folglich wird Wärmeenergie,
die ansonsten an die Atmosphäre verloren
geht oder ineffizient mit Verfahren des Standes der Technik übertragen
wird, auf die Flüssigkeit übertragen
und erwärmt diese.
Die Gichtgase (nun gekühlt)
und die Flüssigkeit
(nun erwärmt)
können dann
getrennt werden und die Gichtgase an die Atmosphäre freigesetzt werden. Folglich
kann das Verfahren der Erfindung in einem sehr effizienten und wirksamen
Prozess zum erneuten Aufnehmen und Verwenden der Wärme von
Gichtgasen angewendet werden.
-
4. Flotation in gelöster Luft:
-
Die
Flotation in gelöster
Luft ist ein Prozess, durch den Luft (oder ein anderes Gas) in eine
Flüssigkeit
mit suspendierten Teilchen, die von der Flüssigkeit getrennt werden müssen, eingeführt und
eingemischt wird. Im Allgemeinen hängen sich die Luftmoleküle und kleine
Luftblasen, sobald sie in der Flüssigkeit
vermischt sind, an die suspendierten Teilchen innerhalb der Flüssigkeit
an, was bewirkt, dass sie zur Oberfläche der Flüssigkeit schwimmen, wo sie
entfernt werden können.
Die Flotation in gelöster Luft
kann beispielsweise in der Zellstoff- und Papierindustrie verwendet
werden, um suspendierte Fasern aus einer Flüssigkeit zu entfernen. Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich gut für die Flotation
in gelöster
Luft. Bei der Ausführung
des Verfahrens für
diese Anwendung wird Luft in die Flüssigkeit eingeführt und
das Gemisch wird zum Unterwasserschallmischer geleitet. Dort werden
die Luftblasen auf eine mikroskopische Größe verkleinert und gleichmäßig durch
die Flüssigkeit
verteilt, was zu einer höheren
Wahrscheinlichkeit führt,
dass die Luftblasen sich an die von der Flüssigkeit zu trennenden suspendierten
Teilchen anhängen.
Beim Verlassen des Unterwasserschallmischers kann die Flüssigkeit zu
einem Trenntank geleitet werden, in dem die Teilchen unter dem Auftriebseinfluss
der angehängten Luftblasen
zur Oberfläche
schwimmen und abgeschöpft
oder anderweitig entfernt werden können.
-
5. Mischen von verschiedenen
Fluiden:
-
In
vielen industriellen Anwendungen ist es erwünscht, zwei verschiedene Fluide,
wie beispielsweise Wasser und Öl,
zu mischen, um eine Emulsion zu bilden. Die Herstellung von Kalfaterverbindungen und
die Bildung von Öl-
und Wasseremulsionen sind Beispiele von solchen Anwendungen. Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann effizient angewendet werden,
um Emulsionen aus verschiedenen Fluiden zu bilden. Insbesondere
wird eines der Fluide, beispielsweise Wasser, in einen Strom des anderen Fluids,
beispielsweise Öl,
eingeleitet und das Gemisch wird zum Unterwasserschallmischer zugeführt. Im
Mischer treffen die Hohlraumbildungsblasen und Schockwellen, die
mechanisch durch den rotierenden Rotor erzeugt werden, auf die Flüssigkeiten auf,
was sie in äußerst kleine
Einheiten oder Tröpfchen
zerlegt. Die Tröpfchen
werden dann zusammen durch das heftige Rühren innerhalb des Mischers gleichmäßig verteilt.
Dies in Verbindung mit der Schwächung
oder Aufbrechung der Van-der-Waals-Anziehungen zwischen den Fluidmolekülen führt dazu,
dass die kleinen Tröpfchen
der Fluide aneinander angezogen werden und "aneinander halten", um eine dichte und gleichmäßige Emulsion
zu bilden.
-
6. Trennung von emulgierten
Flüssigkeiten:
-
In
einigen Fällen
ist es erwünscht,
eine dichte Emulsion in ihre Komponentenflüssigkeiten aufzutrennen. In
der Ölindustrie
kann Öl
von einem Bohrloch beispielsweise die Form einer Öl/Wasser-Emulsion annehmen
und es ist erforderlich, das Wasser vom Öl vor der Weiterverarbeitung
zu trennen. Eine Art und Weise, dies zu bewerkstelligen, besteht
darin, ein Gas wie z.B. Methan mit der Öl/Wasser-Emulsion zu vermischen,
um die Anziehung zwischen den Öl-
und Wassermolekülen
zu stören.
Es wurde festgestellt, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung
diese Aufgabe in einer sehr zuverlässigen und effizienten Weise
bewerkstelligt. Insbesondere wird das Gas, beispielsweise Methan,
in einen Strom der Emulsion eingeleitet und das Gemisch wird zum
Unterwasserschallmischer gemäß der Erfindung
geleitet. Im Mischer werden die Van-der-Waals-Anziehungen zwischen
den Molekülen
der zwei Fluide in der Emulsion aufgelöst und das Methangas wird auf
mikroskopische Blasen verkleinert und gleichmäßig in der ganzen Emulsion
verteilt. Unter diesen Bedingungen können sich die Methangasmoleküle an eine der
Flüssigkeiten
anhängen,
was verhindert, dass sie sich mit der anderen Flüssigkeit rekombinieren, und dadurch
die Emulsion in ihre Bestandteilskomponenten zerlegt wird. Die getrennten
Flüssigkeiten
können dann
separat durch herkömmliche
Verfahren abgezogen werden.
-
7. Zerstäubung von
Kraftstoffen, um die Verbrennung zu verbessern
-
Die
Zerstäubung
eines Kraftstoffs, bevor er verbrannt wird, verbessert den Verbrennungswirkungsgrad
des Kraftstoffs, indem eine signifikant größere Oberfläche des Kraftstoffs Wärme und
Oxidationsmittel ausgesetzt wird. Die Mischmethodologie der vorliegenden
Erfindung eignet sich gut für
die Zerstäubung
von Kraftstoffen. In einer Zerstäubungsanwendung
wird ein Gas, das ein Sauerstoff enthaltendes Gas sein kann, um
die Verbrennung weiter zu verbessern, oder ein Inertgas sein kann,
mit dem Kraftstoff im Unterwasserschallmischer gemäß der Erfindung
vermischt. Das Gas wird in mikroskopische Blasen zerlegt und gleichmäßig im ganzen
Fluid dispergiert. Dieses Gemisch kann zu einem Siedekessel oder
einer anderen Vorrichtung geliefert werden, in der der Kraftstoff
verbrannt werden soll, wobei er als zerstäubtes Spray mit sehr winzigen
Tröpfchen ausgespritzt
wird. Der Verbrennungswirkungsgrad des Kraftstoffs wird daher verbessert.
-
Die
Erfindung wurde hierin hinsichtlich bevorzugter spezieller Beispiele,
Ausführungsbeispiele und
Methodologien beschrieben und offenbart, die die beste den Erfindern
bekannte Art zur Ausführung der
Erfindung darstellen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese erläuternden
Ausführungsbeispiele begrenzt
und viele andere Anwendungen und Variationen können innerhalb des Schutzbereichs
der Ansprüche
durchgeführt
werden. Ferner sind Vorrichtungen mit anderen Konfigurationen als
den hierin dargestellten zum mechanischen Induzieren von Hohlraumbildungseffekten,
die im Verfahren der Erfindung verwendet werden, möglich, wobei
die dargestellten Vorrichtungen nur beispielhafte Darstellungen
sind. Im Allgemeinen wird jegliche mechanische Vorrichtung, die
in der Lage ist, die hierin beschriebenen Hohlraumbildungseffekte
für die
Zwecke des Mischens von zwei verschiedenen Fluiden zu erzeugen,
als innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche betrachtet. Diese und viele
weitere Hinzufügungen,
Weglassungen und Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen
und Methodologien können
von Fachleuten gut durchgeführt
werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den Ansprüchen dargelegt,
abzuweichen.