Verfahren zum Ausscheiden von Gas und schweren Schmutzteilchen aus Flüssigkeiten und Flüssigkeitssuspensionen sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zum Ausscheiden von Gasen und schweren Schmutzteilchen aus Flüssigkeiten und Flüs sigkeitssuspensionen, insbesondere aus dem Stoffbrei für die Papierherstellung.
Dieses Verfahren zeichnet sieh nach dem Patent ansprueh I des Hauptpatentes dadurch aus, dass man einen kontinuierlichen Strom der Flüssigkeit durch einen mindestens angenä- liert tangentialen Einlassstutzen in der Nähe des einen Endes in eine langgestreckte Kam mer von kreisförmigem Querschnitt einleitet, derart, dass die Flüssigkeit längs den Wänden der Kammer einen schraubenlinienförmigen Wirbel durchläuft, der einen sich in axialer Richtuni ausdehnenden, flüssigkeitsfreien Kern umgibt, aus dem Gas mit einer solchen Gesehwindigkeit abgesaugt wird,
dass in die sem Kern ein Unterdruck aufrechterhalten wird, dass man in der Nähe des andern Endes der Kammer aus der Peripherie des Wirbels Flüssigkeit abführt., welche durch Zentrifugal kraft in sie geschleuderte Sehmutzteilchen ent hält, und dass man gereinigte Flüssigkeit aus einem innern Ringraum des Wirbels abführt.
Auf diese Weise können sowohl Gase, die in der Flüssigkeit gelöst sind, als auch Gase, die an festen Teilchen der Flüssigkeitssuspen sion anhaften, zusammen mit. den in der Flüs sigkeit vorhandenen Gasblasen entfernt wer- den, wenn die Flüssigkeit in einen unter Va kuum stehenden Raum abgeführt und der flüssigkeitsfreie Gaskern des Wirbels unter einem erheblichen Vakuum gehalten wird. Zum Zwecke der möglichst restlosen Ausschei dung der Gase ist es wesentlich, den verrin gerten Druck eine genügende Zeitlang auf die Flüssigkeit einwirken zu lassen, damit die Gase aus der Flüssigkeit austreten und Blasen bilden, die dann in den evakuier ten Kern getrieben werden.
Die in der Flüs sigkeit gebildeten Blasen wandern unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft schnell nach dem flüssigkeitsfreien Kern hin und haben dabei die Tendenz, Teilchen, an denen sie haf ten, mit sich zu ziehen; solche Teilchen kön nen beispielsweise Fette, ölige Bestandteile oder andere Teilchen sein, deren Oberfläche von der betreffenden Flüssigkeit schwer be- n etzt wird.
Besonders wirkungsvoll erfolgt die Aus- seheidung,wenn gemäss dem Unteranspruch 2 des Hauptpatentes die Flüssigkeit nach dem Durchlaufen der Kammer die Richtung ihres Fortschreitens umkehrt und einen zweiten, rückkehrenden Wirbel bildet, der innerhalb des ersten Wirbels gelegen ist und den flüs sigkeitsfreien Gaskern umgibt.
Durch die vorliegende Erfindung wird das im Patentanspruch I und im Unteranspruch des Hauptpatentes definierte Verfahren da durch noch wirksamer gemacht, dass die äussern Teile des zweiten Wirbels am Ende ihres schraubenlinienförmigen Weges abge führt werden, während die innern Teile des selben abermals zur Umkehr gezwungen wer den und in schraubenlinienförmiger Bahn einen dritten, einen flüssigkeitsfreien. Kern umgebenden, innerhalb des zweiten Wirbels gelegenen Wirbel beschreiben und am Ende dieser Bahn zusammen mit den äussern, mit Schmutzteilchen beladenen Teilen des ersten Wirbels abgeführt werden.
Das Hauptpatent betrifft auch eine Vor richtung zur Durchführung des eingangs an gegebenen Verfahrens. Nach dem Patentan spruch II des Hauptpatentes zeichnet sich die selbe aus durch eine langgestreckte Kammer -von kreisförmigem Querschnitt, einen Einlass stutzen, welcher in der Nähe des einen Endes der Kammer mindestens angenähert tangen tial angeordnet ist, um längs den Wänden der Kammer einen schraubenlinienförmigen Wir bel zu erzeugen, der einen sich in axialer Richtung erstreckenden, flüssigkeitsfreien Kern umgibt, Mittel zur Absaugung von Gas aus diesem Kern mit einer solchen Geschwin digkeit, dass ein Unterdruck in dem Kern aufrechterhalten wird,
in der Nähe des andern Endes der Kammer angeordnete Mittel zum Abführen von Schmutzteilchen enthaltender Flüssigkeit aus der Peripherie des Wirbels und Mittel zum Abführen von gereinigter Flüssigkeit aus einem innern Ringraum des Wirbels. Diese Vorrichtung wird durch die vorliegende Erfindung noch verbessert und zeichnet sich aus durch einen an dem dem Einlassstutzen gegenüberliegenden Ende der Kammer angeordneten, mit einer Auslassöff nung versehenen Trichter mit nach innen ge krümmten Wänden, der so ausgebildet ist, dass er die äussern Teile des ersten Wirbels an den konischen Wänden entlang nach der Auslass öffnung hin ableitet, die innern Teile dessel ben jedoch derart ablenkt, dass sie einen zwei ten,
zurückkehrenden? schraubenlinienförmi- gen Wirbel innerhalb des ersten Wirbels bil- den, und durch Umlenkmittel und Auslass mittel am Einlassende des Behälters, die die äussern Teile des zweiten Wirbels austreten lassen, die innern Teile desselben jedoch der art ablenken, dass sie einen dritten schrauben- linienförmigen Wirbel bilden, der innerhalb des zweiten Wirbels gelegen ist, den flüssig keitsfreien Kern umgibt. und durch die Aus lassöffnung am Ende des Trichters austritt.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Wirbelseparator.
Fig. ? ist eine Seitenansicht, des obern Teils der Anordnung nach Fig. 1.
Fig.3 ist ein senkrechter Schnitt. durch den obern Teil der Anordnung nach Fig. 1, rechtwinklig zum Schnitt der Fig. 1.
Fig. 4 und 5 sind horizontale Schnitte nach 4-4 bzw. 5-5 der Fig. \?.
Fig. 6 zeigt den untern Teil der Anord nung nach Fig. 1 in vergrössertem Massstab. Fig. 7 zeigt den obern Teil der Anordnung nach Fig. 1. in abgeänderter Ausführungsform. Fig. S zeigt in mehr oder weniger schema tischer Weise, wie (ausser andern Möglichkei ten) eine Mehrzahl von Separatoren nach Fig. 1 (oder Fig. 7) mit. der Pumpanlage und einem zweiten Wirbelseparator verbunden werden können..
Fig. 9 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Doppelseparator.
Wie aus Fig. 1. bis 5 zu ersehen, tritt die zu behandelnde Flüssigkeit oder Flüssigkeits suspension tangential durch einen sieh ver engenden Einlassstutzen 10 in den Wirbel behälter ein, welcher so geformt ist, dass der Flüssigkeitsquerschnitt auf ein Rechteck oder einen Schlitz 11 (Fig. 3) verengt wird.
Die an kommende Flüssigkeit wird durch eine Spiral- führung 1\' (Fig.1, 3 und 5), die eine Um drehung aufweist, um das Eintrittsende her umgeführt, die Verengung des Flüssigkeits querschnittes ist vorzugsweise derart, dass etwas mehr als 5011/9 der Druckenergie am Einlass in Geschwindigkeitsenergie verwandelt wird, und ferner derart., dass die:
Flüssigkeit in der zylindrischen Wirbelkammer<B>1.3</B> einen schraubenlinienförmigen Weg nach unten be schreibt und in einem ersten. 'Wirbel an der Innenwand der Kammer entlang strömt, wo bei sie einen flüssigkeitsfreien Gasraum 14 in der Mitte längs der Achse der Kammer bildet.
Nach etwa dreissig oder mehr Umläufen auf der schraubenförmigen, durch die Pfeile 15 bezeichneten Bahn erreicht. die Flüssigkeit einen Trichter 16 mit nach innen gekrümm ten Wänden. Dieser Trichter, dessen. oberes Ende bei 17 an das untere Ende der Kammer 13 angeflanscht sein kann, ist innen so ge formt, dass er denjenigen Teil der Flüssigkeit ablenkt, der in einiger Entfernung von der 'Tand der Kammer 13 wenig von seiner Ge- schwindigkeitsenergie durch Flüssigkeitsrei bung verloren hat, nicht jedoch die Flüssig keit, die dicht an den Wandflächen entlang geströmt ist und daher durch Reibung an den Wänden viel von ihrer Geschwindigkeitsener gie verloren hat.
Die letztere Flüssigkeit sinkt zusammen mit den schweren Schmutzteilchen, die gegen die Wände geschlendert wurden, weiter nach unten; diese Teile fliessen daher an der Wand des gekrümmten Trichters ent lang nach unten und treten als Strom von ringförmigem Querschnitt durch die untere Auslassöffnung 18 aus. Um dies zu erreichen, ist die Krümmung der Innenfläche des Trich ters 16, wie weiter unten näher beschrieben. derart ausgebildet, dass sein Durchmesser zu näelist rasch und dann allmählich langsamer nach unten hin abnimmt.
Die durch die schrägen Wände des Konus riech oben abgelenkte, behandelte Flüssigkeit beschreibt, in einem zweiten Wirbel einen schraubenlinienförmigen Weg 20 innerhalb des nach unten gerichteten ersten Wirbels bis zu einem obern Auslass eines Wirbelsuchers 21. Dieser kann ein ringförmiges Gebilde mit einer Aussenwand 22 enthalten, um welche der eintretende "Wirbel 15 herumströmt, sowie mit einer Innenwand 23, die einen zylindri- sehen Raum unLSCliliesst, der den aufsteigen den Wirbel 20 aufnimmt.
Die untern Enden der Wände 22 und 23 können miteinander durch eine ringförmige Platte 24 verbunden sein, durch deren Mittelöffnung 25 der auf- ; steigende Wirbel fliesst; sein Weg wird durch die Platte 24 von dem grössten Teil des ein tretenden, absteigenden Wirbels getrennt; diese Trennung kann durch die zylindrische 'Wand 22 mit einem nach unten reichenden ; Vorsprung 26 noch weiter gesichert werden.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen, ist die Mittel öffnung des Wirbelsuchers gross genug, um sowohl den aufsteigenden Wirbel als auch den Gaskern 14 aufzunehmen. Das obere Ende des, Wirbels 20 stösst gegen, ein stumpfes, konisches Gebilde 27 auf der Unterseite einer Deck platte 28. Dieser stumpfe Konus ist derart geformt und angeordnet, dass er bei 29 einen, ringförmigen Schlitz frei lässt, durch den die behandelte Flüssigkeit oder der Stoffbrei all mählich in eine Kammer 30 austritt.
Wie aus Fig. 4 zu. ersehen, ist die Kammer 30 derart, beispielsweise mit spiralförmig angeordneter Aussenwand 31, ausgebildet, dass die Flüssig keit im Kreise herumströmt, sich dabei aus dehnt und dann durch eine tangentiale Aus lassöffnung 32 austritt. Wenn die behandelte Flüssigkeit oder das gesichtete Material aus der Kammer 30 :austritt, ist, ein erheblicher Teil ihrer Geschwindigkeitsenergie wieder in Druckenergie zurückverwandelt, so dass die ausströmende Flüssigkeit in manchen Fällen, falls erwünscht, trotz eines unter Vakuum. stehenden Kernes keinen Unterdruck hat.
Wenn die Flüssigkeit des aufsteigenden Wirbels 20 auf die stumpfe, konische Fläche 27 auftrifft, wird die Richtung des Fortschrei tens ihrer innern Teile mit den vorhandenen Gasblasen und der schaumigen Flüssigkeit abermals umgekehrt, so dass sie als dritter, in nerster Wirbel auf einem schraubenlinienför- migen Weg, wie durch die Schraubenlinie 35 angedeutet, wieder absteigen. Dieser dritte Wirbel 35 schreitet daher nach unten fort und tritt am Boden durch die Öffnung 18 innerhalb des ringförmigen Stromes der aus geschiedenen, die Schmutzteilchen enthalten den Flüssigkeit aus, wo er abgezogen wird.
Die herumwirbelnde, zurückgewiesene Flüssig- keit des dritten Wirbels wird zusammen mit den Gasen des Kernes durch eine Leitung 36 abgeführt, die vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass der austretende Flüssigkeitsstrom sieh ausdehnt und dabei das Gas mit sich reisst, infolge des Eduktoreffektes wird hierdurch ein Unterdruck in dem Gaskern 14 aufrecht erhalten.
In Fig. 7 ist eine alternative Ausführungs form für den Kopf der Wirbelkammer dar gestellt, die ebenfalls gute Ergebnisse zeitigt, obwohl die Ausführungsform nach Fig. 1 zur Zeit vorgezogen wird. Bei der Ausführungs form nach Fig. 7 tritt der Stoffbrei durch einen Einlassstutzen 1.0' tangential in die zy lindrische Kammer 13' ein. Die mit 15', 20' und 35' bezeichneten Wirbel entsprechen denen der Fig. 1, bei der Ausführungsform nach Fig. 7 tritt jedoch das gesichtete Mate rial nicht durch einen ringförmigen Schlitz 29 des Wirbelsuchers nach Fig. 1 aus, sondern es strömt durch siebähnliche Öffnungen eines zylindrischen, obern Ansatzes 40 des Wirbel suchers 21' hindurch.
Der innerste, nach un ten gerichtete Wirbel entsteht dadurch, dass die Flüssigkeit des aufwärtsgerichteten Wir bels beispielsweise auf eine Platte 41 oder auf gleichwertige Mittel am Kopf der Vorrich tung auftrifft. Der mit Lochungen versehene Zylinder 40 wirkt. wie ein Sieb mit grossen Maschen, welches die Faserteilchen durchlässt, unerwünschte gröbere Teilchen, Gasblasen und Schaum jedoch zurückzuhalten sucht, die viel leicht nach oben bis zur Platte 41 mitgerissen und von dort nach unten zurückgeleitet wur den, um mit dem ausgeschiedenen Material abgeführt zu werden. Das gesichtete Material strömt in eine Kammer 42 und von dort zu einem Auslass 43.
Das ganze Kopfstück der Fig. 7 kann abnehmbar mit dem Zylinder 13' verbunden sein, beispielsweise durch eine Flanschverbindung 44'. In ähnlicher Weise kann das Kopfstück der Fig. 1 abnehmbar mit Hilfe einer Flanschverbindung 44 mit dem Zylinder verbunden sein, so dass das eine Kopfstück gegen das andere ausgetauscht oder zum Zwecke der Reinigung oder Reparatur abgenommen werden kann. Der untere Konus 16 kann in ähnlicher Weise abnehmbar be festigt sein.
Manometer 45 oder 45' können an dem Kopfstück angeordnet und mit dem obern Ende des evakuierten Kernes verbunden sein, um den Grad seines Vakuums zu messen.
In den Zeichnungen sind die verschiedenen Ausführungsformen der Separatoren in auf rechter Stellung dargestellt; sie können in ge wissen Fällen aber auch in beliebigem Winkel zu der in der Zeichnung dargestellten Stellung angeordnet werden, insbesondere, wenn die Wirbelgeschwindigkeiten gross genug sind, so dass der Einfluss der Schwerkraft verhältnis mässig unbedeutend ist. Die Ausdrücke oben , unten und unteres Ende sollen dabei- lediglich die relativen Stellungen und Rich tungen in der Vorrichtung beschreiben, ohne den Gebrauch der Vorrichtung auf die dar gestellte, aufrechte Stellung zu beschränken.
Die beschriebenen Vorrichtungen können ohne jeden Vakuumanschluss betrieben wer den; in diesem Falle weist die Auslassleitung 36 keinen Unterdruck auf, und die uner wünschten, festen Bestandteile oder Sehmutz- teilehen können zusammen mit. den Gasblasen und einem Teil des Schaumes unter atmosphä rischem Druck abgeführt werden, obwohl die Einrichtung unter diesen Umständen nur sehr wenig von den in der behandelten Flüssig keit aufgelösten Gasen abführen kann. Im all gemeinen ist es jedoch erwünscht, auch diese aufgelösten Gase und die an den Fasern der Suspension anhaftenden Gasteilchen zu ent fernen. In diesem Falle ist es erforderlich, au die untere Auslassleitung der Vorrichtung ein Vakuum anzulegen.
Wie beispielsweise in Fig. 8 dargestellt, sind die Auslässe 36 dreier Separatoren 13 durch Leitungen 47 mit einem Behälter 46 verbunden. Der Oberteil dieses Behälters ist mit einer Vakuumpumpe 48 ver-. Bunden. Die Flüssigkeitsmisehung des aus geschiedenen Materials im untern Teil des Be hälters 46 kann über eine Leitung 50 durch eine Pumpe 49 abgesaugt werden, die das aus geschiedene Material durch ein Rohr 51 zu einem weiteren Separator 52 leitet, der die gleiche Ausbildung haben kann wie der in Fig. 1. dargestellte Separator.
Vorzugsweise wird dem Rohr 50 durch ein Rohr 53), das mit einem Ventil versehen ist, Frischwasser zu- geführf, um das ausgeschiedene Material zu verdünnen, bevor es in die Pumpe 49 eintritt.
Wird das ausgeschiedene Material der Se- haratoren 13 unter Vakuum in einen Behäl ter- wie den Behälter 46 geleitet, um die aus geschiedenen Gase von dein ausgeschiedenen flüssigen Material zu trennen, so ist es mög lich, in den Hauptseparatoren jeden ge wünschten Prozentsatz der aufgelösten und an festen Teilchen haftenden Gase auszuschei den und mit den Schmutzteilchen, Gasblasen und den schaumigen Teilen abzuführen.
Der zweite Separator 52 kann, ebenso wie die Hauptseparatoren, gewünschtenfalls einen Vakuumanschluss an seinem Auslassende haben, oder er kann, falls dies vorgezogen wird, in die Atmosphäre entleeren; dies wird durch den Eduktoreffekt der Auslassöffnung 36' ermöglicht, wobei, wie erwähnt, ein gewis ser Unterdruck in dem zweiten Separator er- balten bleibt, so dass Blasen, Schaum und Schmutzteilchen durch die Leitung 47' abge führt werden können, um sie entweder auszu scheiden oder einer etwaigen weiteren Behand lung zuzuführen.
Das gesichtete Material oder die gereinigte Flüssigkeit, die den zweiten Separator verlässt, wird durch ein Rohr 54 zum Einlass 55 einer Pumpe 56 zurückgeführt, die den unbehandelten Stoffbrei durch das Rohr 5 7 zu den Einlässen 1.0 der ersten Se harat.oren führt. Der geläuterte Stoffbrei, der diese ersten Separatoren verlässt, kann durch eine Leitung 58 einer Pumpe 59 zugeleitet werden, die den geläuterten Stoffbrei bei spielsweise einer Papiermaschine zuführt.
Alle in der Zeichnung dargestellten Rohr- verbinclungen können mit Ventilen versehen sein, um die Strömungsgeschwindigkeiten zu regulieren, sowie mit Manometern zur Anzeige der Drücke.
Fig. 9 zeigt. eine alternative Anordnung zur Abführung des ausgeschiedenen Materials aus dem Separator. Das Gebilde im obern Teil dieser Zeichnung ist das gleiche wie das des Separators der Fig. 1, ausser dass das untere linde des Trichters 16' bei 60 endet. Der Trichter 16' liegt mit seinem untern Ende in einer zylindrischen Kammer 61, die durch eine Flanschverbindung 62 mit dem Konus verbunden ist. Die Kammer 61 hat eine tan gentiale, sich verengende Einlassöffnung 63, durch die reines Wasser oder anderes Wasser zur Verdünnung des ausgeschiedenen Mate rials zugeführt werden kann.
Der Zweck die ser Anordnung ist der, den Eduktoreffekt durch die Auslassöffnung des Trichters 7.6' in gewisser Weise zu erhöhen und gleichzeitig durch den Einlass 63 die erforderliche Flüs sigkeit zuzuführen, um das ausgeschiedene Material zu verdünnen, bevor es in den zwei ten Separator eintritt, sowie ferner die Ver luste an brauchbarem Material zu verringern.
Diese Anordnung ergibt einen abwärtsgerich- teten Wirbel der Flüssigkeitsmischung in der Kammer 61 derart, dass der unter geringem Druck stehende, flüssigkeitsfreie Kern 14 des ersten Separators in diese Kammer hinab reicht und dass für die aus der öffnung 60 austretende Flüssigkeit ein Unterdruck auf rechterhalten. wird, wenn ein genügendes Va kuum angelegt wird, um einen Unterdruck in dem Kern 14 und in den umgebenden Flüssig keitsteilen der Kammer 13 zu erzielen.
Die verdünnte, mit Schmutzteilchen beladene Flüs sigkeit tritt aus dem zweiten Separator unten durch einen Konus 64 und einen Auslass 65 aus, in welchem die Flüssigkeit sieh ausdehnt, um den Eduktoreffekt zu erhöhen.
Die vorteilhafte Wirkung der gezeigten Anordnung, die eine Kammer 61 enthält, geht aus einer Betrachtung der folgenden Tatsachen hervor: Wenn eine Flüssigkeits mischung, die grosse, schnell zu Boden fal lende Teilchen, gemischt mit feinen, langsamer fallenden Teilchen enthält, für eine kurze Zeit Bedingungen ausgesetzt wird, unter denen die Teilchen sich absetzen können, so werden Teilchen beider Arten sich absetzen, jedoch mehr von den grösseren, schneller zu Boden sinkenden Teilchen. Die feinen Teilchen, die sich in der Nähe des Bodens befinden, werden sieh aber auch bis zu einem gewissen Grade absetzen und ebenfalls in dem Sediment vor handen sein, da sie nur einen verhältnismässig kurzen Weg zurückzulegen haben.
Das aus geschiedene Material, welches das Sediment enthält, wird daher im Falle eines Stoffbreies beispielsweise ausser den unerwünschten, schweren Teilchen noch einen gewissen Anteil. des feinen, für die Papierherstellung benötig.. ten Fasermaterials enthalten. Es sind daher nachgeschaltete Reinigungseinheiten erforder lich, bei denen dieses Sediment verdünnt wird, um das sonst verlorene feine Material wieder zugewinnen.
Führt man jetzt die aus dem ersten Separator ausgeschiedene Flüssigkeits suspension dem obern Teil eines zweiten Be hälters zu, der klares Wasser enthält, so ist eine schärfere Trennung möglich, und die grösseren Bestandteile können im wesentlichen alle durch die klare Flüssigkeit hindurch auf den Boden fallen, bevor ein nennenswerter Teil der feineren Teilchen diesen erreicht. Die Schärfe der Trennung wird noch erhöht, wenn das klare Wasser entgegen der Richtung der fallenden Teilchen nach oben fliesst.
Die feinen Teilchen werden dann durch den nach oben gerichteten Flüssigkeitsstrom am Herab fallen gehindert, die sich schneller absetzen den, gröberen oder schwereren Teilchen jedoch fallen trotz dieses nach oben gerichteten Flüs sigkeitsstromes nach unten. und ergeben ein Sediment, welches praktisch frei von feinen Teilchen ist. Bei der Anordnung nach Fig. 9 fällt das durch den Konus 16' ausgeschiedene Material des ersten Separators 13 innerhalb eines Wirbels von klarem Wasser nach unten, das durch den Einlass 63 dem zweiten Separa tor zugeführt wird.
Die schweren Teilchen werden daher leicht getrennt und wandern auf die Wände der Kammer 61 zu, von wo sie in den Konus 64 abgeleitet werden; das feine, noch brauchbare Fasermaterial kann sieh je doch nicht schnell genug absetzen, wird durch den gekrümmten Konus 64 abgelenkt und in die obere Kammer zurückgeführt.
Um für Separatoren verschiedener Abmes sungen und unter verschiedenen Arbeitsbedin gungen möglichst günstige Ergebnisse zu er zielen, soll im folgenden die Theorie, die der Arbeitsweise der verschiedenen Teile eines Separators der beschriebenen Art zugrunde liegt, näher erläutert werden. Was die Aus bildung des Wirbels und dessen Form in dem Separator betrifft, so würde die Flüssigkeit, wenn keine Reibungsverluste auftreten wür den, in einem sogenannten freien Wirbel flie ssen, das heisst in einem Wirbel, bei dem der Energieinhalt jeder Einheit der Flüssigkeit bei verschiedenen Radien der gleiche wäre.
Da clie in der Mitte des Wirbels strömende Flüs sigkeit die Flüssigkeitsteilchen gegen die V4 and zu drücken sucht, bedeutet dies eine Umwandlunc, der Energie von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie, renn eine Einheit der Flüssigkeit sieh auf eine Stelle eines klei neren Radius bewegt, bis eine Bedingung er reicht ist, bei der alle Energie in Geschwin digkeitsenergie umgewandelt ist; über diese Stelle hinaus würde keine Flüssigkeit mehr vorhanden sein, sondern lediglich ein Vakuum oder ein Gaskern.
Die Gleichung für einen solchen Fluss bei verschiedenen Radien ist fol gende:
EMI0006.0013
Hierbei ist V = Geschwindigkeit, k = eine Konstante, 7- = Radius bis zu der betrachteten Stelle. In der Praxis tritt jedoch ein solcher freier Wirbel selten auf, ausser bei einer sehr kur zen Wirbelkammer, bei der die Reibungsver- luste vernachlässigbar klein sind, oder wenn die Geschwindigkeiten sehr gering sind.
Statt dessen verliert die rotierende Flüssigkeit bei kleineren Radien Energie infolge Reibung an der äussern Flüssigkeit aus zwei Gründen, und zwar: Erstens, für den Fall der gleichen Geschwindigkeit, hat das Flüssigkeitsteilchen mit kleinerem Radius bei einem Umlauf eineu kürzeren Weg zurückzulegen und schiebt sich daher an dem weiter aussen gelegenen Flüs sigkeitsteilchen vorbei, und zweitens, für den Fall eines freien Wirbels, ist. die Geschwindig keit des innern Flüssigkeitsteilchens grösser.
Es kann gezeigt werden, dass der Energiever- lust pro Zeiteinheit
EMI0007.0000
der durch diese Reibung verursacht wird, aus folgender Glei chung berechnet werden kann:
EMI0007.0001
worin K die in Gleichung (1) auftretende Konstante,
EMI0007.0003
l <SEP> = <SEP> Länge <SEP> der <SEP> rotierenden <SEP> Flüssigkeitssäule,
<tb> u <SEP> = <SEP> die <SEP> Viskosität,
<tb> t <SEP> = <SEP> der <SEP> Radius <SEP> bis <SEP> zu <SEP> dem <SEP> betrachteten <SEP> Flüs sigkeitsteilchen. Aus der vorstehenden Gleichung (2) ist zu ersehen, dass die Flüssigkeit bei kleinerem Ra dius in der Nähe der Mitte sehr rasch Ener gie verliert.
Schliesslich ist nach lange an dauerndem Reibungsverlust infolge eines lan gen Weges der wirbelnden Flüssigkeitsteilchen die Reibung einer Lage der Flüssigkeit an der angrenzenden Lage nicht mehr ein wesent licher Faktor; die Gleichung für die Ge schwindigkeit der verschiedenen Radien nä hert sieh dann einer Bedingung, die durch die nachstehende Gleichung gegeben ist: <I>(3)</I> V=K <I>r,</I> Hierbei ist
EMI0007.0006
V <SEP> = <SEP> Geschwindigkeit <SEP> an <SEP> einer <SEP> bestimm ten <SEP> Stelle,
<tb> K <SEP> = <SEP> eine <SEP> Konstante,
<tb> r <SEP> = <SEP> der <SEP> Radius <SEP> bis <SEP> zu <SEP> der <SEP> betrachteten
<tb> Stelle. In der Praxis folgt der Wirbel einem Ge setz, das zwischen der Gleichung für den freien Wirbel und der Gleichung (3) liegt.
Je länger die Flüssigkeitsteilchen sich in dem Wirbel befinden, um so mehr entfernt die Gleichung sieh von derjenigen des freien Wir bels.
Bei Zentrifugal-Wirbelseparatoren erfol gen die Reibungsverluste zum grössten Teil an zwei Stellen, nämlich in der Nähe des mitt leren Kernes, wie durch die obige Reibungs gleichung (2) gezeigt, und in der Nähe der Wand, wo die Reibung zwischen der sieh be- wegenden Flüssigkeit und der feststehenden Wand auftritt. Die Hauptabweichung von der Bedingung eines freien Wirbels erfolgt je doch in der Nähe des Kernes bei einem klei nen Radius, wo nach der obigen Reibungsglei- ehung (2) die Energieverluste infolge Flüs sigkeitsreibung am grössten sind.
Dies ergibt die Tendenz, den Raum des leeren Kernes, der normalerweise in einem freien Wirbel entste hen würde, mit Flüssigkeit geringer Energie zu füllen. Da dieser Kern zum Zwecke der Gasabführung jedoch freigehalten werden. nnuss, wird diese Flüssigkeit als dritter, fal lender Wirbel 35 nach unten abgeführt. Die ser dritte oder innerste Wirbel ist ausser ordentlich vorteilhaft, da er imstande ist, Schaum, Blasen und schwimmende Teilchen abzuführen.
Während die Form der Krüm mung des Konus 16 am untern Ende nicht entscheidend für das Zustandekommen eines dreifachen Wirbels ist, ist sie doch ausser ordentlich vorteilhaft, um eine wirksame Ab führung der schweren Schmutzteilchen aus der stagnierenden Flüssigkeitsschicht in der Nähe der Wand und ihre Trennung von dem Haupt strom zu bewirken. Diese schweren. Schmutz teilchen, die gegen die Wand geworfen wur den, fallen in langsamer sich bewegenden Flüssigkeitslagen nach unten herab, die Krüm mung des Konus 16 ist derartig, dass er nur die schneller bewegten Flüssigkeitsteile zu rückleitet, nicht jedoch die in langsamer Be wegung befindliche Flüssigkeit.
Die ausge schiedene Flüssigkeit beschreibt einen schrau- benlinienförmigen Weg in Richtung auf die 4uslassöffnung 18 als freier Wirbel, da die Reibungsverluste bei derart langsamer Flüs sigkeitsbewegung verhältnismässig gering sind. Die Neigung des Konus 16 bei einem beliebi gen Radius muss daher derart sein, dass diese sich langsam bewegende, ausgeschiedene Flüs sigkeit nicht abgelenkt wird, die Krümmung des Konus muss sich also bei verschiedenen Radien ändern, um sowohl die Änderungen der Zentrifugalkraft bei verschiedenen Radien als auch die Geschwindigkeitserhöhung der Flüssigkeit infolge des Gesetzes des freien Wirbels zu kompensieren.
Zur Erzielung der richtigen Wirkung bei solchen Wirbeln einer Flüssigkeitssuspension ist es erforderlich, dass die trennende Kraft, das heisst die Fähigkeit, feine Schmutzteil chen nach unten abzuleiten, ausreichend ist, um alle unerwünschten Teilchen gut abzu führen, jedoch möglichst wenig der brauch baren Suspension. Diese die Schmutzteilchen trennende Kraft ist proportional den trennen den Kräften, die ihrerseits folgenden Grössen proportional sind: a.) dem Quadrat der Ein trittsgeschwindigkeit, b) der Zeitdauer, wäh rend welcher die Suspension diesen Kräften in der Nähe der Wände der Kammer unter worfen sind, und c) dem Weg, den die Schmutzteilchen zurückzulegen haben, bis sie ausgeschieden werden.
Bei der Konstruktion der beschriebenen Dreiwirbelkammer wird die Einlassgeschwindigkeit so gross gewählt, wie dies innerhalb praktischer Grenzen möglich ist, um eine möglichst grosse Trennkraft zu erzielen. Eine lange Zeitdauer der Einwirkung wird dadurch erreicht, dass die zylindrische Kammer 13 verhältnismässig lang ausgebildet wird. Dies ergibt günstige Bedingungen, um die Trennung zu erreichen, und die Flüssig keit bildet sich bei ihrer Abwärtsbewegung als verhältnismässig dünne, an der Wand anlie gende Schicht aus, um den Weg, den die Schmutzteilchen bis zur Wand zurückzulegen haben, klein zu halten.
Die trennende Kraft bezüglich der Aus scheidung der Schmutzteilchen hängt aber nicht nur von der Fähigkeit der Apparatur ab, die Schmutzteilchen an die äussersten Stel len des Wirbels in die Nähe der Wand zu bringen, sondern auch von der Fähigkeit, die Schmutzteilchen danach von dem Hauptstrom der Flüssigkeit zu trennen. In der Nähe des untern Teils des Separators weisen die Schmutzteilchen zwei Kennzeichen auf: sie befinden sieh in der Nähe der Wand, und die sie enthaltende Flüssigkeit hat den grössten Teil ihrer anfänglichen Geschwindigkeitsener gie verloren. Die Ausbildung des gekrümmten Konus im untern Teil der Fig. 1 und in der vergrösserten Darstellung der Fig. 6 nutzt. diese beiden Kennzeichen aus, um die Sehmutz- teilchen wirksam von der gereinigten.
Flüssig keit zu trennen. Die Zentrifugalkräfte der wirbelnden Flüssigkeitsteilchen wirken recht winklig zur Rotationsachse. Die Wand des ge krümmten Konus anderseits kann Druck kräfte auf die Flüssigkeitsteilchen nur in Richtung senkrecht zu ihrer Oberfläche aus üben. Wenn die wirbelnde Flüssigkeitssäule auf solch einen. Konus auftrifft, entsteht daher eine Reaktion oder Gegenkraft, welche die Flüssigkeitsteilchen vom untern Ende oder der Spitze des Konus fortzutreiben sucht.
Diese Re aktionskraft der schraubenlinienförmig beweg ten Flüssigkeitsteile gegen den Konus ist es, die die gereinigte oder behandelte Flüssigkeit zu rückleitet und sie in Richtung auf die Ober seite der Wirbelkammer zurückführt. Die mit Schmutzteilchen beladene Flüssigkeit hat je doch so viel von ihrer Geschwindigkeitsener gie verloren, dass die Reaktionswirkung auf diese Flüssigkeitsteilchen erheblich geringer ist, diese Teilchen werden daher nicht. zurück geleitet, sondern fallen infolge des Druckes unter Mitwirkung der Schwerkraft nach un ten, wenn die Wirbelkammer sieh in aufrech ter Stellung befindet.
Würde diese Flüssig keit in einem wahren Kegel (nicht entlang einer gekrümmten Kegelwand, wie in der Zeichnung dargestellt.) zur Auslassöffnung ge führt werden, so würden die Zentrifugal- krä.fte infolge der Erhöhung ihrer Geschwin digkeit (infolge des Gesetzes des freien Wir bels) in dem gleichen -Masse anwachsen, wie die Flüssigkeit auf einen kleineren Rotations radius gebracht.
wird, bis ein Punkt eines sol eben geraden Kegels erreicht ist, wo die Schmutzteilchen nicht weiter nach der Spitze des Kegels zu vorriieken, sondern sieh ent weder auf der Stelle im Kreise bewegen oder zusammen mit der gereinigten Flüssigkeit zu riiekgeleitet werden. Bei einem gekrümmten Konus jedoch, wie ein solcher am besten aus Fig. 6 zu ersehen ist, ändert sieh die Neigung des Konus mit dem Durchmesser derart, dass die Neigung der 3Vand sieh der Vertikalen nähert, je mehr die mit. Sehmutz beladenen Flüssigkeitsteilchen sieh der Achse nähern.
Obwohl die Zentrifugalkräfte der Flüssig- keitsteilchen bei kleinerem Rotationsradius wachsen, reicht daher die von der Wand. aus geübte Reaktionskraft nicht aus, um diese Flüssigkeitsteilchen nach oben abzulenken, so dass sie nach unten sinken und aus der Öff nung austreten. Es lässt sich mathematisch eine Gleichung entwickeln, um die Krümmung zu definieren, die der Konus nach den dar gelegten Grundsätzen haben muss.
Diese Glei chung (die die Reibung ausser acht. lässt) ist folgende
EMI0009.0000
Hierbei ist lt = Höhe vom. obersten Teil des gekrümmten Konus bis zum Punkt des Ra dius r,
EMI0009.0005
R <SEP> = <SEP> Radius <SEP> am <SEP> obersten. <SEP> Teil <SEP> des <SEP> Konus,
<tb> r <SEP> = <SEP> Radius <SEP> bis <SEP> zum <SEP> betrachteten <SEP> Punkt <SEP> der
<tb> Kurve,
<tb> = <SEP> die <SEP> Erdbeschleunigung,
<tb> 1, <SEP> = <SEP> die <SEP> Konstante <SEP> aus <SEP> der <SEP> Gleichung <SEP> (1) <SEP> für
<tb> den <SEP> freien <SEP> Wirbel.
Also ist k --. y' # <I>R,</I> wobei R der Radius am obersten Teil des Konus und V die Tangential geschwindigkeit (in der Nähe der Wand) ist, unterhalb deren die Flüssigkeit am obersten Teil des Konus der Krümmung des Konus zum Auslass hin folgt, wobei diese Geschwin digkeit geringer ist als die Geschwindigkeit, bei der die Flüssigkeit als gesichtetes Mate rial zurückgeleitet wird und in der Wirbel kammer nach oben steigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (wie in Fig. 1 dargestellt) be trägt die Eintrittsgeschwindigkeit 1.5 m/sec; die in der Nähe der Wand befindlichen Flüs sigkeitsteile haben jedoch weit geringere Ge schwindigkeiten, je nach ihrer Entfernung von der Wand; ein sehr geringer Teil der Flüssigkeit., der sich in direktem Kontakt mit der Wand befindet, kann sogar überhaupt keine Rotationsgeschwindigkeit haben.
Diese gewissermassen stagnierende oder sich lang sam bewegende Flüssigkeitslage wird immer dicker, je weiter nach unten sie sich an der Wand entlang bewegt; in diese Flüssigkeits- schicht werden die Schmutzteilchen aus den weiter innen gelegenen Flüssigkeitsteilen hoher Geschwindigkeit geschleudert. Der Ko nus 16 wirkt als Geschwindigkeitsteiler; Flüs sigkeitsteile, deren Geschwindigkeit unterhalb des Wertes V (0,4 m/sec in einem praktischen. Beispiel) liegen, fallen entlang der Wand des gekrümmten Konus nach unten, und Flüssig keitsteile, deren Geschwindigkeit grösser ist als der Wert V, werden als aufsteigender Wirbel nach oben abgelenkt.
Diejenigen Flüssigkeits teile, die gerade noch nach oben abgelenkt werden, sind wahrscheinlich die relativ am stärksten mit Schmutzteilchen beladenen Flüs sigkeitsteile der gesichteten Flüssigkeit; da sie sich direkt. an der Innenseite des aufwärtsge richteten Wirbels befinden, besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit, dass sie dem Schaum schwimmeffekt unterliegen und dann später mit den Schaumteilen abgeleitet werden, die als Teil des innersten, nach unten gerichteten Wirbels 35 nach unten. abgeleitet werden.
Fig. 6 zeigt die wahren Abmessungen, die solch ein gekrümmter Konus 16 haben muss, und zwar unter der Voraussetzung, dass der innere Durchmesser des obern Endes 254 mm und die kritische Trenngeschwindigkeit V = 0,4 m/sec beträgt. Die übrigen, in Fig.1 bis 7 dargestellten Teile können in Propor tion zu den in Fig. 6 dargestellten Abmessun gen ausgeführt werden. Es versteht sich, dass die Trennkammer auch erheblich kleiner oder, falls erwünscht, erheblich grösser ausgeführt werden kann, als durch diese Abmessungen be stimmt, vorausgesetzt, dass die Abmessungen der Kopfteile und des Konus entsprechend verringert oder vergrössert werden.
Was die Bedingungen der Aufrechterhal tung des Gaskernes betrifft, so ist zu beach ten, dass die durch die Einlassdüse gegebene hohe Eingangsgeschwindigkeit die Tendenz hat, die Flüssigkeit infolge der Wirkung der Zentrifugalkraft gegen die Wand der Kam mer 13 zu drücken, so dass in der Mitte ein leerer Kern verbleibt. Bei der hohen auftre tenden Reibung, insbesondere in der Nähe dieses Kernes, geht jedoch viel von der Ge schwindigkeitsenergie verloren, so dass, wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen wer den, der Kern sich mehr oder weniger mit stagnierender Flüssigkeit füllen würde. Der Auslass am Boden des Konus zieht jedoch kon tinuierlich Flüssigkeit ab, die sonst die Ten denz haben würde, sich anzusammeln und den Kernteil auszufüllen.
Der freie Kern kann daher durch die hohe Wirbelgeschwindigkeit und die dadurch erzielten Zentrifugalkräfte erreicht werden, wenn der Kern dadurch leer gehalten wird, dass dauernd Flüssigkeit ab geführt wird, wobei diese Abführung Schaum teilchen und schwimmbare Teilchen erfasst.
Die Pumpe, welche die Suspension in den Separator drückt, entwickelt normalerweise einen genügenden Flüssigkeitsdruck, um die Gasblasen zu komprimieren und zu bewirken, dass mindestens ein grosser Teil derselben sieh in der Flüssigkeit auflöst. Wenn eine wirk same Entgasung erreicht werden soll, ist es daher im allgemeinen nicht ausreichend, die Vorrichtung mit einem Auslass zu versehen, der unter atmosphärischem Druck steht, da dann im allgemeinen nur die nicht in der Flüssigkeit aufgelösten Gasblasen entfernt werden, jedoch wenig von dem Gas, das durch die Wirkung der Pumpe zur Lösung gezwun gen wurde, abgeführt wird.
Die Gasblasen können durch die Wirkung der Zentrifugalkraft leicht getrennt werden; die in Lösung befindlichen Gase erfordern je doch eine erhebliche Zeit, um auszutreten. Die Zeit, die erforderlich ist, um diese Gase aus der Lösung zu entfernen, kann jedoch sehr verkürzt werden, wenn der hydraulische Druck erheblich unter den Atmosphärendruck gesenkt wird. Die Gase werden. dann in star kem Masse übersättigt und die Bildung von Gasblasen erheblich erhöht. Die in den Kern der Wirbel eintretenden Gasblasen haben die Tendenz, alle Arten von Partikelchen mit. sielt zu reissen, die normalerweise an Blasen anhaf ten.
Durch die Austrittsanordnung am Kopf des Behälters wird verhindert, dass das Gas die Vorrichtung zusammen mit der geläuter ten Flüssigkeit verlässt, die Wirkung dieser Anordnung ist derart, dass die äussersten Teile der gesichteten Flüssigkeit allmählich abströ men, ohne die Flüssigkeit in der Nähe des Kernes mit sieh zu ziehen. Die Gase und die Teilchen, die in oder in die Nähe des Kernes gebracht worden sind, werden daher durch den Eduktoreffekt des ausgeschiedenen Ma terials sowie durch das Vakuum am Boden der Vorrichtung abgeführt. Nach den vorstehen den. Grundsätzen können Einheiten für ver schiedene Eingangsdrücke und verschiedene Fliessgeschwindigkeiten ausgeführt werden.
In der Praxis ausgeführte Vorrichtungen arbei ten mit folgenden Werten:
EMI0010.0006
Empfohlene <SEP> Bereich
<tb> Arbeitsbedingung
<tb> Eingangsdruck <SEP> ?,1 <SEP> kg/cm2 <SEP> 1.,4.-a8
<tb> Vakuum <SEP> am <SEP> Auslass <SEP> der <SEP> gereinigten
<tb> Flüssigkeit <SEP> 48 <SEP> ein <SEP> Hg <SEP> 88-59
<tb> Vakuum <SEP> im <SEP> Kern <SEP> 71 <SEP> ein <SEP> Hol <SEP> 51.-74
<tb> Vakuum <SEP> der <SEP> ausgeschiedenen <SEP> Schmutz flüssigkeit <SEP> 69 <SEP> ein <SEP> Hg <SEP> 51-74
<tb> Die <SEP> Fliessgeschwindigkeiten <SEP> in <SEP> diesem <SEP> Falle <SEP> waren <SEP> folgende:
<tb> Flüssigkeitseintritt <SEP> = <SEP> 757 <SEP> Liter <SEP> pro <SEP> Min.
<tb> Flüssigkeitsaustritt <SEP> = <SEP> 681 <SEP> Liter <SEP> pro <SEP> Min.
<tb> Schmutzwasseraustritt <SEP> = <SEP> 76 <SEP> Liter <SEP> pro <SEP> Min.
Werden die Einrichtungen ohne Vakuumanschlüsse benutzt, so können sie in folgender Weise betrieben werden:
EMI0011.0000
Empfohlene <SEP> Bereich
<tb> Arbeitsbedingung
<tb> Druck <SEP> am <SEP> Flüssigkeitseintritt <SEP> 2,8 <SEP> kgcm/2 <SEP> 1,4 <SEP> -3,5
<tb> Druck <SEP> am <SEP> Flüssigkeitsaustritt <SEP> 0,1 <SEP> kg/cm2 <SEP> 0;07-0,35
<tb> Vakuum <SEP> im <SEP> Kern <SEP> 2,5 <SEP> cm <SEP> Hg
<tb> Vakuum <SEP> am <SEP> Schmutzwasseraustritt <SEP> - <SEP> - Die Fliessgeschwindigkeiten können in die sem Falle folgende sein: Flüssigkeitseintritt = 757 Liter pro Min. Flüssigkeitsaustritt = 700 Liter pro Min. Schmutzwasseraustritt = 57 Liter pro Min.
Die Erfindung beschränkt sieh nicht auf. die dargestellten und beschriebenen Ausfüh rungsformen, sondern umfasst auch Abände rungen, die im Rahmen des dargelegten Er- lindungsgedankens liegen.