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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Fett-Wasser-und/oder Öl-Wasser- Emulsionen.
Es entstehen bei einer Reihe von Industrietechnologien unerwünschte Produkte die einerseits Nutzstoffe enthalten die verlorengehen und andererseits die Umwelt bzw. das lebende Wasser beschädigen. Die modernen Industrietechnologien sind mit immer grösser werdendem Wasserverbrauch verbunden. In erster Linie brauchen die Technologien der Lebensmittelindustrie eine erhebliche Menge an Wasser. Andere Zweige der Industrie (z. B. der Maschinenbau) verbrauchen weniger Wasser aber mehr Öl. Während der Technologie wird das Wasser mit Fett und Öl vermischt, wobei oft günstige Bedingungen zur Bildung von unerwünschten Emulsionen bestehen.
Die Bildung von Fett-Wasser-und/oder Öl-Wasser-Emulsionen wird durch Pumpen, durch Verwendung von Waschmitteln, durch bakteriologische Faktoren usw. begünstigt. Auf dem Gebiet des Maschinenbaues werden solche Emulsionen als Kühl- und Schmiermittel gezielt hergestellt. Viele andere Gebiete könnten aufgezählt werden, wo solche Emulsionen gezielt oder unvermeidlich entstehen. Diese Emulsionen gelangen als Abwässer durch das Kanalnetz in das lebende Wasser, wodurch die Umwelt beschädigt wird.
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt durch die die Absenkung oder Beseitigung des Fettoder Ölgehaltes des Abwassers bezweckt ist. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind zur Entfernung von Fett und Öl in erster Linie dann geeignet wenn diese nicht als Emulsion auftreten (z. B. Aufsaugen von Öl durch Perlit und nachfolgende Entfernung des Perlits von der Wasseroberfläche usw. ). Bei anderen Verfahren werden verschiedene Chemikalien zugegeben die aber selbst weitere Verunreinigungen hervorrufen.
Die genannten Verfahren sind nicht geeignet Emulsionen zu trennen, obschon langwierige Verunreinigungen werden eben durch diese, in vielen Fällen sehr stabile Emulsionen hervorgerufen. In der Mehrheit der Fälle wird die schädliche Wirkung der Emulsionen durch den biologischen Abbau abgeschafft Dieser Abbau ist jedoch ein langer Prozess der eben wegen der langen Zeit sehr umsichtig durchgeführt werden soll und nur bei solchen Verunreinigungen zu verwenden ist, die durch biologischen Abbau beseitigt werden können. Bei Öl-WasserEmulsionen z. B. ist es wirkungslos.
Es sind verschiedene Filteranlagen mit sog. Hilfsmaterial bekannt. Bei diesen Anlagen wird die Emulsion mittels Überdruck oder Vakuum durch das die Filterschicht bildende Hilfsmaterial in Zwangsströmung gehalten, wobei das Hilfsmaterial die"Fettkügelchen"oder"Ölkömchen"aufhalten soll. Die Abmessungen der Kügelchen bzw. Körnchen sind jedoch in den meisten Fällen mit Grössenordnungen kleiner als die der Poren zwischen den Körnchen des Hilfsmaterials, so kann die Emulsion durch diese Poren leicht passieren. Die Kömchengrösse des Hilfsmaterials sollte prinzipiell nur etwas grösser als die Grösse der "Kügelchen" gewählt werden um eine effektive Aufhaltung erzielen zu können. In diesem Falle können jedoch Verstopfungen auftreten.
Bei einer Verstopfung der Filterschicht ist der Durchgang sogar bei extrem grossen Druckwerten ausgeschlossen. Man hat versucht, das Prinzip der Flotation bei Trennung von Emulsionen zu verwenden ; auch diese Versuche sind jedoch ohne günstige Ergebnisse geblieben. Der Grund dafür ist darin zu sehen, dass eine erfolgreiche Flotationswirkung nur dann erzielt werden kann, wenn es gelingt, den Grenzwinkel der gegenseitigen Berührung von Wasser und Öl und/oder Fett, ferner von Luft und/oder irgendwelchem Gas so zu modifizieren, dass eine genügende Auftriebkraft zur Hebung des Kügelchens bis zum obersten Niveau der Emulsion entsteht. Dazu muss jedoch die das Kügelchen umgebende Wasserhülle unbedingt aufgerissen werden. Eine solche Kraftwirkung ist bei der Flotation nicht gesichert.
Auch wenn eine genügende Kraftwirkung zum Aufreissen der Wasserhülle bestünde, konnte man nur von einer Anreicherung der oberen Schicht des Abwassers an Kügelchen sprechen, die Emulsion selbst jedoch erhielte sich.
Durch die sog. elektrophoretischen Trennanlagen, die die Kügelchen umgebende Wasserhülle dadurch aufreissen, dass das Wasser durch elektrische Stromwirkung auf Wasserstoff und Sauerstoff trennen, konnte man gewisse Ergebnisse erzielen. Dabei haften die entstehenden Gase an den Kügelchen und heben diese bis zur Oberfläche der Emulsion. Auch bei diesen Anlagen erfolgt vielmehr eine Anreicherung in der oberen Schicht aber nicht eine solche Trennung, wobei mehrere Kügelchen aneinander haften. Diese Methode ist mit einem erheblichen Energieverbrauch verbunden und soll wegen gleichzeitigem Entstehen von Wasserstoff und Sauerstoff mit besonderer Vorsicht durchgeführt werden.
Zur Trennung von Emulsionen ist bisher unseres Erachtens die Ultraschallmethode am besten geeignet, obschon sie kaum bekannt ist. Sie besteht darin, dass die Emulsion durch eine Flüssigkeitspfeife hindurchgepresst wird, wobei solche Tonfrequenzschwingungen entstehen die die Kügelchen mit einer solchen Kraft zueinander zwingen, dass diese die umgebende Wasserhülle aufreisst, die Kügelchen aneinander haften und bis zur Oberfläche der Emulsion aufschwimmen. Die Anlagen solcher Art sind auch zur Emulsionherstellung geeignet, wenn die Tonfrequenz entsprechend gewählt ist, weil beide Vorgänge frequenzabhängig sind. Diese Anlagen sind mit grossem Energieverbrauch verbunden, ihre Leistungsfähigkeit ist dagegen klein. Ihre Betriebssicherheit ist schlecht, weil das Abwasser praktisch keine feste Verunreinigung enthalten darf.
Diese können nämlich den Schlitz der Flüssigkeitspfeife verstopfen.
Zweck der Erfindung ist die Beseitigung der genannten Nachteile der obigen bekannten Lösungen.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Fett-Wasser-und/oder Öl- Wasser-Emulsionen zu schaffen, die bei einem im Vergleich zum bisherigen, wesentlich kleinerem spezifischem Energieverbrauch eine wirksamere Emulsionstrennung sichern.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die die in der Emulsion anwesende Öl-und/oder Fettkügelchen
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umgebende Wasserhülle auch durch Hervorrufen von Aneinanderstossen dieser Kügelchen mit hoher Geschwindigkeit aufgerissen werden kann, was mit der vorteilhaften Wirkung verbunden ist, dass die Kügelchen (Körnchen) nach dem Aneinanderstossen gleich aneinanderhaften. Das Volumen der Kügelchen wird durch das Aneinanderhaften auf das doppelte erhöht, wodurch eine Aufprallung an immer weiteren Kügelchen mit grösserer Wahrscheinlichkeit erfolgt. Die Aufprallungen wiederholen sich bis zum völligen Verbrauch an vorhandener kinetischer Energie.
Es wurde erkannt, dass die wirksamste Art des Anstosses dann erzielt werden kann, wenn ein Teil der Emulsion als eine Flüssigkeitshaut in den weiteren Teil der Emulsion durch ihre freie Oberfläche hineingeschossen wird.
Diese dünne aber kontinuierliche Emulsionhaut kann sogar dünner als die Emulsionstropfen an sich sein, weil die Tropfen selbständig nach einem minimalen Energiezustand strebend eine kugelige oder annähernd kugelige Form annehmen, während innerhalb der dünnen aber kontinuierlichen Haut sie eine stark gedehnte Form haben. So kann die Emulsionshaut als eine Klinge mit minimalem Energieverlust in den weiteren Teil der Emulsion hineindringen, und der schon eingedrungene Hautteil bereitet sozusagen den Weg für die weiteren Hautteile.
Die gemäss der Erfindung angewendete Flüssigkeitshaut von hoher Geschwindigkeit kann sogar mittels des Druckes einer herkömmlichen Zentrifugalpumpe hergestellt werden. So wird der Energieverbrauch wesentlich kleiner als bei den bekannten Verfahren.
Die auf die Oberfläche geschossene dünne kontinuierliche Emulsionhaut dringt viel tifer in den weiteren Teil der Emulsion hinein als eine mit gleichem Energieverbrauch hergestellte vergaste Emulsion zerrissene Haut und erzielt eine viel wirksamere Trennung der Emulsion als eine Haut von grosser Geschwindigkeit, die unter der Oberfläche hergestellt ist. Unsere Versuche haben gezeigt, dass bei einer unter der Oberfläche erzeugten Haut die Flotation der Kügelchen sogar mit Zugabe von Luft unter der Oberfläche nicht begünstigt werden kann, dabei wird zusätzlich der ohnedies minimale Wirkungsgrad der Trennung der Emulsion weiter sinken.
Es wurde auch festgestellt, dass die Anwendung von zwei sich kreuzenden Flüssigkeitshäuten keine genügend wirksame Emulsionstrennung mit sich bringt, weil die Wahrscheinlichkeit der Kollision gering ist.
Auf Grund der obigen Erkenntnisse wird die gestellte primäre Aufgabe durch ein Verfahren zur Trennung von Fett-Wasser-und/oder l-Wasser-Emulsionen gelöst, bei dem die die Fett-und/oder Öl-Tröpfchen der Emulsion umgebende Wasserhülle aufgerissen, dadurch die Fett-und/oder Öl-Tröpfchen vereint dann bis der Oberfläche der Emulsion aufgeschwommen und davon - zweckmässig durch Abschfung - entfernt werden, wobei erfindungsgemäss ein Teil der Emulsion in eine kontinuierliche Flüssigkeitshaut verwandelt wird die eine solche Geschwindigkeit aufweist dass sie durch die freie Oberfläche des weiteren Teiles der Emulsion hineindringen kann, und diese Flüssigkeitshaut-zweckmässig unter einem spitzen Winkel - auf die freie Oberfläche des weiteren Teiles geschossen wird.
Bei einer vorteilhaften Durchführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens wird der weitere Teil der Emulsion - zweckmässig mit einer Geschwindigkeit die mindestens um eine Grössenordnung kleiner als die Geschwindigkeit der Flüssigkeitshaut ist-in Strömung gehalten.
Zweckmässig wird eine solche Flüssigkeitshaut verwendet die sich in Richtung der freien Oberfläche des weiteren Teiles der Emulsion als eine Kegelfläche erweitert. Vorteilhaft wird der die Flüssigkeitshaut bildende Emulsionsteil durch Rotation auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt.
Die sekundäre Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Trennung von Fett-Wasser-und/oder Öl-Wasser- Emulsionen gelöst, die ein die zu trennende Emulsion aufnehmendes Becken von offener Oberfläche, ein Mittel zum Aufreissen der Wasserhülle der Fett-und/oder Öltröpfchen der Emulsion und ein Mittel zur Entfernung der auf die Oberfläche aufgeschwommenen Fett- und/oder ltrpchen aufweist, wobei erfindungsgemäss das Mittel zum Aufreissen der Wasserhülle der Fett-und/oder Öltröpfchen der Emulsion ein oberhalb der Oberfläche angeordneter Rotator ist, der einen zylindrischen hohlen Oberteil, eine dazu angeschlossene tangentiale Einflussöffnung, einen zum Oberteil von unten angeschlossenen sich nach unten verjngenden -zweckmig konischen-Unterteil, sowie ein am unteren Ende des Unterteils angeschlossenes,
sich nach unten erweiterndes Austrittselement aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemässe Vorrichtung im Oberteil einen zentralen zylindrischen Einsatz auf, der an seinem unteren Ende als Teilovoid ausgestaltet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Einflussöffnung durch eine Rezirkulationspumpe mit einem Teil des Beckens unter der Oberfläche verbunden.
Vorteilhaft weist die erfindungsgemässe Vorrichtung mehrere miteinander parallel geschaltete Rotatoren auf, die oberhalb der Oberfläche nebeneinander angeordnet sind. Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnungen durch Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt :
Fig. 1 eine stark vergrösserte Darstellung im Schnitt der Treffstelle der Emulsionhaut und des weiteren Teiles der Emulsion,
Fig. 2 einen Rotator zur Herstellung einer Emulsionshaut von grosser Geschwindigkeit, im Längsschnitt,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Ebene (in-in) der Fig. 2,
Fig. 4 die Anordnung eines Rotators gemäss Fig. 2 und 3 über einem Emulsionsbecken mit freier Oberfläche,
Fig. 5 die prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung zur Trennung von Emulsionen mit Hilfe eines Rotators gemäss Fig. 2 und 3,
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Fig. 6 die schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Trennung von Emulsionen mit mehreren
Rotatoren und
Fig. 7 die schematische Draufsicht der Vorrichtung gemäss Fig. 6.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 1 befindet sich in einem Becken (13) mit offener (freier) Oberfläche eine zu trennende Fett-Wasser-und/oder Öl-Wasser-Emulsion in welcher die mit schraffierten Kreisen bezeichneten Fettund/oder Öltröpfchen mit einer Wasserhülle umgeben sind.
Ein Teil der zu trennenden Emulsion wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Pumpe entnommen und mittels eines ebenfalls nicht dargestellten Rotators in eine kontinuierliche Flüssigkeitshaut (12) von grosser Geschwindigkeit überführt, die unter einem spitzen Winkel in den weiteren Teil der Emulsion durch die freie Oberfläche dieses Teils hineingeschossen wird. Die Geschwindigkeit (v) der Flüssigkeitshaut (12) wird so gewählt, dass die Haut kontinuierlich bleibt, und keine Vergasung erfolgt. Der Emulsionsteil im Becken (13) wird mit einer mindestens um eine Grössenordnung kleineren Geschwindigkeit als (v) der Flüssigkeitshaut (12) entgegengeströmt.
Die die Flüssigkeitshaut (Emulsionhaut) (12) bildenden Tröpfchen von grosser Geschwindigkeit werden nach ihrer Eindringung mit langsam strömenden Tröpfchen aneinander stossen. Infolge des Anstosses wird die Wasserhülle der beiden Tröpfchen aufgerissen und die Tröpfchen haften aneinander. Die vereinten Tröpfchen springen weg und durch Stossen mit weiteren Tröpfchen werden sie immer grösser bis sie ihre Energie völlig verlieren.
Eine Flüssigkeitshaut (12) von grosser Geschwindigkeit kann zum Beispiel mittels eines Rotators (11) gemäss Fig. 2 und 3 hergestellt werden. Der Rotator (11) weist einen zylindrischen hohlen Oberteil (2) und einen zu diesem von unten angeschlossenen sich nach unten konisch verjüngenden hohlen Unterteil (3) auf. Der Oberteil (2) ist mit einer tangentialen Einflussöffnung (1) versehen. Am unteren Ende des Unterteiles (3) ist ein sich nach unten erweiterndes Austrittselement (7) angeschlossen.
Der Oberteil (2) ist mit einem zentralen zylindrischen Einsatz (4) versehen, dessen unteres Ende als ein in den Unterteil (3) hineinreichendes Teilovoid (5) ausgestaltet ist. Die innere Fläche des Rotators (11) ist mit einem Belag (6) aus einem verschleissfesten, elastischen Material, z. B. Weichgummi oder Kunststoff, versehen.
Der in dem Rotator (11) gemäss Fig. 2 und 3 durch die Einflussöffnung (1) unter Druck eintretende Emulsionsteil wird im zylindrischen Oberteil (2) nach unten gehend in eine Rotationsbewegung entlang der inneren Seite der Wand des Oberteiles (2) gezwungen. Seine Rotation wird immer grösser bis er das Austrittselement erreicht.
Der Einsatz (4) verhindert das Entstehen in der Emulsion von überflüssigen und Energieverlust hervorrufenden Energieumwandlungen.
Die im Unterteil (3) rotierend strömende Emulsion füllt den zur Verfügung stehenden Raum nicht mehr aus, weil ihre Rotationsgeschwindigkeit längs der geometrischen Achse unendlich sein sollte. Sie dringt nur bis zu einem Radius ein, bei welchem die Gesamtenergie der Emulsion die Energieumwandlungen noch decken kann.
Somit entsteht längs der Achse ein emulsionfreier zylindrischer Raum in dem die Luft die jeweilige Rotationsgeschwindigkeit der Emulsion aufnimmt. Die Luft bildet also ein Wirbelrohr, das den Strömungsgesetzen entsprechend nur an seinem eigenen Medium übereinstimmenden ruhenden, nicht strömenden Medium enden kann. So befindet sich sein oberes Ende an der Spitze des Teilovoids des Einsatzes (5), das zweckmässig aus Metall, Kunststoff, Gummi usw. besteht. Das andere Ende kann jedoch nicht bei dem engsten Querschnitt sein, weil die Emulsion an dieser Stelle ihre Bewegung mit grösster Rotationsgeschwindigkeit durchführt, sie kann also auch diesen Querschnitt nicht vollständig ausfüllen.
Das Luftwirbelrohr tritt aus dem Rotator (11) heraus und besteht solange, bis seine Energie durch die äussere Luft aufgezehrt wird oder es mit einem anderen Medium in Berührung kommt. Das Luftwirbelrohr endet also an der freien Oberfläche des mit Geschwindigkeit (u) strömenden Emulsionsteiles (Fig. 4).
Die der geometrischen Achse entsprechend gerichtete Geschwindigkeit der rotierend nach unten strömenden Emulsion nimmt gemäss des Verhältnisses der Querschnitte stufenweise zu bis der engste Rotatorquerschnitt erreicht wird. Dann tritt die Emulsion in das auswechselbare Austrittselement (7) hinein wo sie unter der Wirkung der Zentrifugalkraft die innere Kontur des Austrittselementes (7) rotierend folgt und nach dem Austritt eine regelmässige Konusform annimmt. Weil bei der freien Strömung längs der Konusfläche der Durchmesser des Konusses immer grösser wird, wird die Emulsionsschicht infolge der Volumenständigkeit immer dünner, bis sie sich in eine Haut umwandelt.
Gemäss den Gesetzen der freien Strömung bleibt die axiale Geschwindigkeit der Haut, abgesehen von der Wirkung des Gravitationskraftfeldes, konstant bis sie die Oberfläche des langsam strömenden Emulsionsteiles erreicht.
Der Rotator (11) wird in einer Höhe angeordnet, bei welcher sich die Flüssigkeitshaut nocht nicht in selbständige Emulsionströpfchen zersetzt. Diese Höhe kann gemäss des obigen einfach bestimmt werden. So kann bei beliebiger Emulsion derselbe Rotator (11) verwendet werden, nur die Entfernung von der freien Oberfläche soll entsprechend geändert werden.
Ein äusserst wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass die in den Rotator (11) eingedrungenen festen Teilchen auch den unteren engsten Querschnitt der Anlage ohne Hindernis passieren können, also keine Verstopfung auftreten kann.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 5 weist ein Becken (13) mit offener Oberfläche zur Aufnahme der zu trennenden
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Emulsion auf, die mit einem üblichen Überfallwehr (16) zur Entfernung des aufgeschwommenen Fettes und/oder Öls versehen ist. Oberhalb der Oberfläche des Beckens (13) ist der Rotator (11) angeordnet dessen Einflussöffnung durch eine Pumpe (14) mit einem Teil des Beckens (13) unter der Oberfläche verbunden ist. Die frische Emulsion gelangt durch einen mit Pfeil (15) bezeichneten Einlauf in das Becken (13) hinein. Das Wasser wird gemäss der Richtung des Pfeiles (17) abgeleitet bzw. rezirkuliert.
Die mittels des Rotators (11) gebildete konische Flüssigkeitshaut (12) dringt durch die freie Oberfläche in den im Becken (13) befindlichen Emulsionsteil hinein und trennt die Emulsion auf die schon beschriebene intensive Weise. Fig. 6 zeigt eine zweckmässige reihenweise Anordnung der Rotatoren (11) nebeneinander oberhalb des Beckens (13) mit grosser freier Oberfläche. Die Entfernung der Rotatoren (11) voneinander wird so gewählt, dass die konischen Emulsionsfilme einander nicht kreuzen. Die Rotatoren (11) können miteinander parallel geschaltet durch eine einzige Pumpe betätigt werden.
Aus den Ergebnissen der Versuche die mit der erfindungsgemässen Vorrichtung durchgeführt worden sind werden beispielsweise die folgenden gezeigt
EMI4.1
<tb>
<tb> Fettgehalt <SEP> der <SEP> Emulsion <SEP> mg/liter
<tb> vor <SEP> Trennung <SEP> nach <SEP> der <SEP> Trennung
<tb> 1. <SEP> 1400 <SEP> 450
<tb> 2.500 <SEP> 360
<tb> 3. <SEP> 160 <SEP> 130
<tb>
Bei diesen Versuchen wurde nur ein Viertel der entstehenden Emulsion durch den erfindungsgemässen Rotator hindurchgeführt. Die Zahlenwerte der zweiten Spalte beziehen sich auf die gesamte Menge der Emulsion, die Messergebnisse enthalten also auch den Fettgehalt des nicht behandelten Teiles, also drei Viertel des Gesamtvolumens.