Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gemischen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Gemischen, welche aus gasförmigen, flüssigen undloder festen Anteilen zusammengesetzt sein können, in schwerere und leichtere Phasen durch Zentrifugalwirkung
Es gibt zahlreiche solcher Vorrichtungen, deren Wirkung auf den Zentrifugalkräften beruht, die für jeden Gemischanteil je nach seinem spezifischen Gewicht verschieden hoch sind. Die bekannten Vorrichtungen weisen erhebliche Mängel auf; vor allem ist eine einwandfreie Trennung sehr verschiedenartiger Phasen (Gemischanteile) in einem Arbeitsgang unmöglich. Vielmehr ist eine Wiederholung der Zentrifugierung in mehreren, aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen oder Stufen notwendig.
Man hat deshalb Trennvorrichtungen vorgeschlagen, welche auf der Anziehungskraft eines Magneten beruhen, welcher den an ihm vorbeiströmenden Stoff von Eisenteilen befreit. Nichteisenmetallteile, Steine oder dergleichen, können mit diesen Vorrichtungen nicht abgetrennt werden. Für die Abtrennung von Gemischanteilen mit an sich verhältnismässig hoher Wichte, jedoch kleinen Abmessungen, welche besonders aus dickflüssigen Substanzen schwer abzutrennen sind, hat man Zentrifugalstoffreiniger entwickelt, welche auf der Wirkung einer schnell rotierenden Scheibe oder eines Flügelrades beruhen, die den Stoff in schnelle Umdrehung versetzen, wobei die äussere, schwerere Phase, welche die ausgeschleuderten Teile enthält, abgetrennt und der gereinigte Kern des Gemisches in der Nähe der Achse durch Druck- oder Saugwirkung abgeführt wird.
Eine einwandfreie Trennung von Gemischen mit diesen Vorrichtungen wurde jedoch bis heute nicht erreicht. Der Grund hierfür liegt vor allem darin, dass infolge des gleichzeitigen und nahezu gleich starken Einflusses der Zentrifugalwirkung auf die leichtere und die schwerere Phase der letzteren keine Gelegenheit geboten wird, sich unter der Wirkung ihres Eigengewichtes abzusetzen; dazu fehlt zumeist auch die einer genügenden Sedimentationszeit entsprechende Weglänge des Gutes im Bereich der Schleuderorgane.
Die erwähnten Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der zu trennende, in Rotation versetzte Gemischstrom in zwei koaxiale, durch einen, gegebenenfalls zu einer Fläche zusammengeschrumpften Wirbelkern getrennte Teilströme aufgeteilt wird, wobei der innere Teilstrom um wesentlichen die leichtere Phase und der äussere Teilstrom im wesentlichen die schwerere Phase bildet, und dass die beiden Teilströme einen von oben nach unten verlaufenden, gegebenenfalls verlängerten Trennweg durchströmenS worauf sich die schwerere Phase infolge ihres Eigengewichtes absetzt, während die leichtere Phase umgelenkt und infolge ihrer Strömungsenergie weitergeführt wird.
Das Neue der in bekannter Weise mindestens einen Rotor, einen das Gehäuse bildenden oder von einem Gehäuse umgebenen Stator aufweisenden Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass der innerhalb des mit einem Eintrittsstutzen und mindestens zwei Austrittsstutzen versehenen Gehäuses mit im wesentlichen senkrecht angeordneter Drehachse gelagerte, vorzugsweise yon unten angetriebene Rotor auf seiner äusseren Mantelfläche mit die Rotation des von oben zugeführten Gemischstromes verstärkenden Organen und der den Rotor umgebende Stator auf seiner inneren Mantelfläche mit die Rotation des Gemischstromes abschwächenden Organen versehen ist
Diese Organe bestehen zweckmässig aus Vorsprüngen, z. B. Rippen, Platten, Noppen, Nadeln oder dergleichen.
Die Vorsprünge können so angeordnet sein, dass die Schnittlinie ihrer Symmetrieebenen mit der Rotorachse zusammenfällt. Sie können aber auch längs einer Schraubenlinie verlaufen, deren Achse mit der Rotorachse zusammenfällt. Schliesslich können sie auch in Ebenen verlaufen, die die Rotorachse rechtwinklig schneiden. Desgleichen können Kombinationen verschiedenartiger Vorsprünge vorgesehen werden.
Die inneren Teile der Vorrichtung, zumindest aber die Organe, können eine die Oberflächenreibung des Gemischstromes erhöhende Rauhigkeit aufweisen oder mit einem entsprechenden Belang oder Überzug versehen sein.
Der Rotor und/oder der Stator können wenigstens über einen Teil ihrer Länge als Rotationskörper ausgebildet sein, dessen Erzeugende die Rotorachse im Endlichen mindestens einmal schneidet.
Beispielsweise können der Rotor und der Stator als zwei koaxial angeordnete Kegelstümpfe ausgebildet sein, die zwischen sich einen Ringspalt gleichbleibenden Querschnittes einschliessen.
Vorzugsweise ist der Querschnitt dieses Ringspaltes durch relative Axialverschiebung des Rotors bzw. Stators veränderlich und einstellbar.
Der Rotor kann hohl ausgebildet sein und beispielsweise als Zuleitung zu dem auf der Oberseite des Gehäuses zentrisch angeordneten Austrittsstutzen für die leichtere Phase dienen.
Zwecks Unterstützung der Strömung der abzuführenden leichteren Phase können im Innern des hohlen Rotors axial wirkende Flügel oder Schaufeln angeordnet sein.
Der Rotor kann an seinem unteren Stirnende geschlossen sein; in diesem Falle sind im Mantel des Rotors in der Nähe seines unteren Endes Schlitze zum radialen Einströmen der leichteren Phase vorgesehen.
Die axial oder annähernd axial verlaufenden Stege zwischen den Schlitzen können als Schaufeln ausgebildet oder mit Schaufeln versehen sein, um das Einströmen der leichteren Phase in das Innere des hohlen Rotors zu erleichtern.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung weist der an ihrem unteren Ende vorgesehene Austrittsstutzen für die leichtere Phase ein koaxial zur Rotorachse angeordnetes Ablaufrohr auf, dessen Oberrand innerhalb des hohlen, unten offenen Rotors und höher als der Unterrand des letzteren liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer der am Gehäuse angeordneten Stutzen mit einem Drossel- oder Absperrorgan und gegebenenfalls mit Mess-und/oder Registrierinstrumenten ausgerüstet; desgleichen können an den Stutzen oder an anderen Stellen des Gehäuses oder der zum Gehäuse führenden Rohrleitungen vorzugsweise selbsttätige Regel- und/oder Steuerorgane vorgesehen sein.
Zumindest das am Austrittsstutzen für die schwe rere. Phase vorgesehene Absperrorgan kann als Zellradschleuse ausgebildet sein; dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn im Inneren der Vorrichtung Über- und Unterdruck herrscht und die abgetrennte schwerere Phase kontinuierlich ohne Betriebsunterbrechung abgeführt werden soll.
Zweckmässig sind an der Rotor achse im Bereich des Gehäusebodens radial wirkende Flügel oder Schaufeln vorgesehen, welche durch Zentrifugalwirkung die abgetrennte schwerere Phase in den für sie vorgesehenen Austrittsstutzen befördern. Statt dessen kann auch eine Scheibe mit einer zur Rotorachse spiralförmig verlaufenden Schaufel vorgesehen sein, welche auf die in den Austrittsstutzen zu befördernde schwerere Phase statt der schleudernden Wirkung eine mehr schiebende Wirkung ausübt.
Vorteilhaft können mehrere, von beliebigen Stellen im Inneren der Vorrichtung ausgehende Entnahmeleitungen zum Abzapfen von Phasen verschiedenartiger Trennungs-oder Reinigungsgrade vorgesehen sein.
Zweckmässig bestehen der Stator und das Gehäuse der Vorrichtung aus einem einzigen Stück, worunter nicht nur ein Guss stück zu verstehen ist, sondern auch ein aus mehreren Teilen zusammengeschweisstes Ganzes.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben.
In der letzteren ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung anhand einiger Beispiele in entsprechenden Schnitten schematisch dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung mit kegelstumpfförmigem Gehäuse,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform mit zylindn- schem Gehäuse,
Fig. 3 bis 5 schematische Darstellungen der Trennung des Gemisches in eine leichtere und eine schwerere Phase im Inneren einer Vorrichtung,
Fig. 6. und 7 die Bodenpartie einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung und
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist oben einen Eintrittsstutzen 1 auf für das bev spielsweise aus aufgelöstem Altpapier-Zellstoff be stehende Gemisch, welchem Steine, Nägel, Schrauben und anderer Schwerschrnutz beigemischt sein können.
Durch den Eintrittsstutzen 1 tritt das Gemisch in ein kegeliges Gehäuse 2 ein, welches die Abfuhrgeschwindigkeit der Schwerteile (ausgezogene Pfeile) aus dem Gehäuse begünstigt und beschleunigt. Ein sich in Strömungsrichtung verjüngendes Gehäuse würde dagegen die Abfuhr der schweren Anteile verlangsamen, was in bestimmten Fällen erwünscht sein kann. Man hat es damit in der Hand, die Schnel ligkeit der Abfuhr bzw. die Verweilzeit der schweren Anteile in der Vorrichtung zu beeinflussen. Das Ge misch strömt zunächst in einen oberen Hohlraum 3 ein. Von dort strömt es gegen den oberen kegeligen Boden 4 des als rotierender Hohlkörper ausgebildeten Rotors 5. Der Boden 4 könnte auch eben oder gewölbt sein. Auf ihm sitzen rippenförmige, radial verlaufende Förderschaufeln 6, an welchen entlang das Gemisch strömt und von welchen es zentrifugal beschleunigt wird.
Dabei werden die schweren Anteile (ausgezogene Pfeile) schon kurz nach dem Eintritt gegen die Innenwandung des Gehäuses 2 geschleudert, während die leichten Anteile (punktierte Pfeile) in den obersten Bereich des Aussenmantels des Rotors 5 verdrängt werden. Es tritt also zwischen dem Rotor 5 und dem Gehäuse 2 eine Sedimentierung bzw. Trennung des Gemisches in eine schwerere und eine leichtere Phase auf. Die schwerere Phase zirkuliert demnach an der Innenwandung des Gehäuses entlang, einen Spiralweg beschreibend, nach unten und geht aus dem Gehäuse in einen Austrittsstutzen 7 über, wo sie sich sammelt.
Die leichtere Phase beschreibt ebenfalls einen Spiralweg in der gleichen axialen Richtung, wird jedoch durch die schwerere äussere Phase nach innen , das heisst gegen den Rotor 5, gedrängt. Die beiden, zwei Teilströme bildenden Phasen sind durch einen annähernd zylinderförmigen Wirbelkern voneinander getrennt. Um auch sehr langsam sedimentierende Anteile, beispielsweise Metallnadeln, Quarzkörner usw. möglichst vollkommen aus dem Gemisch abzutrennen, sind auf dem Rotor wenigstens annähernd axial verlaufende Rippen 6' angeordnet.
Dieselben verstärken die Rotation des Gemischstromes und bewirken somit zwangläufig eine fortgesetzte und sehr wirksame Abtrennung von zur schwereren Phase gehörenden Anteilen, auch wenn dieselben verhältnismässig geringe Masse aufweisen.
Durch zweckentsprechende Bemessung der Drehzahl und/oder des Durchmessers des Rotors 5 lassen sich wirksame Beschleunigungswerte erzielen, welche in Zusammenwirkung mit dem zweckentsprechend langen Strömungsweg des zu trennenden Gemisches bzw. seiner leichten und schweren Komponenten, die vollkommene Trennung solcher Gemische ermöglichen.
Auf dem axialen Strömungswege wird das Gemisch zunehmend in seine leichtere und schwerere Phase zerlegt. Die schweren Anteile fallen dabei weiter nach unten , immer an der Wandung des Gehäuses 2 in einer Spirale absinkend. Die leichtere Phase dagegen wird unter dem Rotor 5 völlig nach innen abgedrängt und strömt nun infolge ihrer geringeren Masse gegen die Achse der Vorrichtung. Um die Achse herum ist koaxial ein mit dem Austrittsstutzen 8 für die leichtere Phase in Verbindung stehendes Ablaufrohr 8'angeordnet, dessen oberes Ende in den Hohlraum des Rotors 5 hineinreicht. Die leichtere Phase wird infolgedessen gezwungen, aufwärts bis über den Rand des Ablaufrohres 8' zu steigen, von wo sie in den Austrittsstutzen 8 strömt. Durch den Austrittsstutzen 7 für die schwerere Phase wird die letztere mittels eines Absperrorganes 9, z.
B. einer Klappe, von Zeit zu Zeit abgelassen. Statt einer Klappe kann auch ein anderes, von Hand oder auto- matisch betätigbares Drossel- oder Absperrorgan, z. B. eine Zellradschleuse, vorgesehen sein.
Auf der Innenwandung des Gehäuses 2 können in axialer Richtung verlaufende oder gewundene Rippen 10 angeordnet sein. Dieselben haben zur Folge, dass die an der Wandung des Gehäuses 2 in einer Spirale abwärts strömenden schweren Anteile von den Flanken der Rippen 10 an der Rotation gehindert werden, sobald sie genügend sedimentiert, das heisst weit genug nach aussen geschleudert werden und von leichten Anteilen möglichst befreit sind. Dadurch wird eine schnellere Ausscheidung der schweren Anteile bewirkt. Der je nach Bedarf beliebig lang zu wählende Weg des Gemisches, entsprechend der Zusammensetzung des letzteren, ermöglicht eine vollkommene Trennung in eine schwerere und eine leichtere Phase, wie sie in den bekannten Vorrichtungen nicht möglich ist.
Die Vorrichtung kann nach dem Prinzip der Erfindung mit einem beliebig langen Weg für das Gemisch bzw. für dessen getrennte Komponenten ausgebildet werden.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Vorrichtung. Das Gemisch tritt oben links durch den Eintrittsstutzen 101 in das Gehäuse 102 ein. Der Eintritt erfolgt tangential, so dass das Gemisch bei genügender Strömungsgeschwindigkeit schon durch die auftretende Zyklonwirkung in eine leichtere und eine schwerere Phase getrennt wird. Die schwerere Phase (ausgezogene Pfeile) wird dabei an der Innenwandung des Gehäuses 102 sedamentiert, während die leichtere Phase (punktierte Pfeile) gegen die Aussendung des Rotors 105 verdrängt wird. Beide Komponenten setzen dann ihren Weg in Richtung von oben nach unten getrennt fort. Auf ihrem Wege gelangen sie in den Bereich der auf dem Rotor 105 angeordneten, annähernd axialen Rippen 106'.
Dieselben weisen entsprechend der erforderlichen Sedimentationszeit und dem erforderlichen Strömungsweg des Gemisches in der Vorrichtung zur Erreichung einer vollkommenen Trennung der leichteren von der schwereren Phase eine bestimmte axiale Länge auf. Die schweren Anteile werden durch die Rippen 106' zentrifugal beschleunigt und gelangen in einen an der Innenwandung des Gehäuses 102 angeordneten, gewundenen Kanal 111. Im Kanal 111 werden die in demselben sedimentierten schweren Anteile infolge der Reibung mit der auf einem kleineren Manteldurchmesser rotierenden Schicht der leichten Phase in fortgesetzter Rotation geringerer Geschwindigkeit gehalten und in dem der Drehrichtung entsprechend ab wärts gewundenen Kanal 111 nach unten befördert.
Am unteren Ende des Kanals 111 treten die schweren Anteile aus demselben aus und gelangen in den Aus trittsstutzen 107, aus welchem sie kontinuierlich oder mittels eines Absperrorganes 109 periodisch entleert werden Zur störungsfreien Entleerung kann unterhalb des gewundenen Kanals 111 ein Flügel- oder Schau fefrad 112 angeordnet sein, welches die schweren Anteile zentrifugal beschleunigt und in den Austrittsstutzen 107 hineinschleudert. Durch die Sedimentierung der schweren Anteile in dem gewundenen Kanal 111 wird die leichtere Phase gegen die Rotorachse bis zwischen die Rippen 106' verdrängt und durch die letzteren fortgesetzt zentrifugiert, bis sie das untere Ende der Rippen 106'erreicht hat.
Dadurch kann bei zweckentsprechender Auslegung der Länge der Rippen 106', der Drehzahl bzw. des Durchmessers des Rotors 105 und der von aussen, z. B. mittels Pumpen und/oder Drosselorganen geregelten Strömungsgeschwindigkeit eine restlose Befreiung der leichteren Phase von schweren Anteilen erreicht werden. Um die Verweilzeit der leichteren Phase nach Bedarf zu verlängern und die erforderliche Sedimentationshöhe zu verringern, können zwischen den Rippen 106' des Rotors 105 noch Ringscheiben 113 angeordnet werden, welche von der leichteren Phase auf deren Strömungsweg jeweils überstiegen werden müssen. Dadurch werden schwere Anteile gezwungen, schon auf dem abgekürzten Strömungswege der leichteren Phase innerhalb des zwischen zwei Ringscheiben 113 liegenden Abschnitts in die Sedimentationszone der schweren Anteile überzugehen.
Damit ist eine von Ringscheibe zu Ringscheibe plötzliche und sprunghafte Erhöhung der Zentrifugalkraft der schweren Anteile und eine entsprechende Beschleunigung der Sedimentation der letzteren verbunden. Die schweren Teile brauchen also nur einen verhältnismässig kurzen Abschnitt des Strömungsweges der leichteren Phase mitzumachen, wodurch eine besonders hohe Wirksamkeit der Vorrichtung erreicht wird.
An der Innenwandung des Gehäuses 102 können ebenfalls axiale, rippenartige Vorsprünge 110 angeordnet werden, welche vorzugsweise nur eine geringe radiale Höhe aufweisen. Derartige rippenartige Vorsprünge 110 unterbrechen den glatten Ablauf der schweren Anteile in dem gewundenen Kanal 111 nach unten dergestalt, dass die sedimentierte Phase, welche noch verhältnismässig vieIe leichte Anteile mit sich führt, gezwungen wird, über die rippenartigen Vorsprünge 110 hinwegzusteigen. Dabei gelangen die noch mit den schweren Anteilen vermischten leichteren Anteile wieder in die Sedimentationszone zwischen den Rotorrippen 106' und dem gewundenen Kanal 111, wodurch eine Zurückfüh- rung durch Verdrängung leichter Anteile in die innere, leichte Phase erfolgt.
Fig. 3 zeigt lediglich eine prinzipielle Darstellung des Vorganges in der Vorrichtung, das heisst der Ausbildung zweier Schichten, der abwärts sedimentierenden (ausgezogene Pfeile) und der durch den Rotor nach oben verdrängten (punktierte Pfeile).
Fig. 4 erläutert die mit dem tangentialen Eintritt des Gemisches verbundene Einleitung der Trennung des Gemisches in eine aussen sedimentierte Schicht schwerer Anteile (ausgezogene Pfeile) und nach innen zwischen die Rippen 106' und eventuell angebrachten Ringscheiben 113 verdrängte leichtere Phase.
Fig. 5 zeigt die hydrodynamische Wirkungsweise der Vorrichtung und die in derselben auf einer beliebigen Ebene quer zur Achse wirksame Kinetik.
Das Gemisch wird durch die Rippen des Rotors beschleunigt. Dadurch werden die schweren Anteile (ausgezogene Pfeile) zwischen den axialen Rippen des Gehäuses sedimentiert und sinken am Gehäuse entlang in axialer Richtung ab. Gleichzeitig wird die leichtere Phase (punktierte Pfeile) nach innen gegen den Rotor verdrängt und fortgesetzt durch dessen Rippen in Rotation erhalten, so dass während der ganzen Verweilzeit der leichteren Phase zwischen den Rippen des Rotors mehr und mehr alle schweren Anteile gegen das Gehäuse geschleudert werden, bis die leichtere Phase frei von schweren Anteilen ist.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform mit kegeligen Ringscheiben 113' am Rotor. Diese Ausbildung hat zur Folge, dass ein leichteres Abgleiten der leichteren Phase mit eventuell noch schwereren Anteilen in die Sedimentationsschicht zwischen den Rotorrippen und den Statorrippen bzw. dem gewundenen Gang am Gehäuse erzielt wird.
Die Sedimentation in Richtung von der Achse der Vorrichtung zur Gehäusewandung und in den -ge- gebenenfalls vorgesehenen, gewundenen Kanälen kann noch dadurch wirksamer gestaltet und beschleunigt werden, dass ausserhalb der Sedimentationszone an der Innenwandung und/oder an der Aussenwandung des Gehäuses Magnete angeordnet werden, welche die Ausscheidung von Eisenteilen, besonders kleinster Teilchen, aus dem zu trennenden Gemisch bewirken.
Fig. 6 und 7 zeigen als Beispiel für den Austritt der schweren Anteile eine an der Rotorachse im Bereich des Gehäusebodens angeordnete Scheibe 115 mit einer spiralförmig gewundenen Schaufel 116. Die gewundene Schaufel 116 hat gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten Flügel- oder Schaufelrad 112 den Vorteil, dass schwere Metallteile nicht mit tangentialer Beschleunigung, sondern mit einer gemässigten Radialbeschleunigung gegen den Austrittsstutzen 107 gedrängt werden, wodurch Beschädigungen des Gehäuses oder der Flügel bzw. aussergewöhnliche Abnut aung derselben vermieden werden.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das Gemisch, wie vorbeschrieben, zunächst zwischen einem zentralen Rotor mit beschleunigenden Rippen auf dem Boden und auf dem Mantel einerseits und einem gegebenenfalls mehrgängigen, gewundenen Kanal anderseits nach abwärts geführt wird. Dann aber steigt die leichte Komponente nicht durch das Innere des Rotors nach oben, sondern durch einen Mantelraum zwischen dem inneren Stator 318 und dem äusseren, als Gehäuse ausgebildeten Stator 302 aufwärts. Das Gehäuse 302 weist wiederum einen gewundenen Kanal 311 (gegebenenEalls mit mehreren Gängen) auf. Da der Kanal 311 an der Innenwandung des Gehäuses 302 abwärts gewunden ist, werden die schweren Anteile in diesem Kanal nach abwärts, also im Gegenstrom zu der direkt daneben aufwärts steigenden leichten Phase, geführt.
Diese Gegenstromwirkung hat eine besonders intensive und scharfe Trennung relativ schwerer Teile aus der leichteren Phase zur Folge, so dass auch die Trennung von Anteilen mit verhältnismässig niedrigen Wichteunterschieden wirksam vor sich geht.
Zwischen dem gewundenen Kanal 311 und dem inneren Stator 318 rotieren Flügel 319. Diese können durch auf einer zur Achse der Vorrichtung senkrechten Ebene liegende Ringscheiben 320 oder kegelige Ringscheiben 321 verbunden sein. Ebene Ringscheiben hindern die leichtere Phase an einer zu hohen Strömungsgeschwindigkeit. Der leichteren Phase wird also je nach Bedarf eine genügend lange Verweilzeit innerhalb des Aktionsbereichs der-beschleunigenden Rotorrippen 306' und der Flügel 319 aufgezwungen. Die kegeligen Ringscheiben 321 können auch so angeordnet sein, dass sie eine Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit der leichteren Phase bei gleichbleibender Drehzahl des Rotors bewirken. Der Austritt der schweren Anteile aus der Vorrichtung kann an jeder Sedimentationsstelle, vorzugsweise an der Peripherie des Bodens des Gehäuses 302, erfolgen.
Der Weg der leichteren Phase ist durch punktierte Pfeile angedeutet, während der Weg der abgetrennten, schweren Anteile durch ausgezogene Pfeile dargestellt ist.
Damit bei Bedarf beliebig viele Phasen verschiedenartiger Trennungs- oder Reinigungsgrade abgezapft werden können, werden zweckmässig, von beliebigen Stellen im Inneren der Vorrichtung ausgehende Entnahmeleitungen vorgesehen, die in bekannter Weise mit Drossel- oder Abspecrorganen ausgerüstet sein können.
Die beschriebene und in der Zeichnung nur beispielsweise gezeigte Vorrichtung kann selbstverständlich konstruktive Abwandlungen erfahren, ohne dass der Erfindungsgedanke verlassen wird; insbesondere können einzelne Teile der Vorrichtung durch äquivalent wirkende Elemente ersetzt werden.
Method and device for separating mixtures
The invention relates to a method and a device for separating mixtures, which can be composed of gaseous, liquid and / or solid components, into heavier and lighter phases by centrifugal action
There are numerous such devices, the effect of which is based on centrifugal forces, which are different for each portion of the mixture depending on its specific weight. The known devices have significant shortcomings; Above all, a perfect separation of very different phases (mixture proportions) in one operation is impossible. Rather, it is necessary to repeat the centrifugation in several successive operations or stages.
Separating devices have therefore been proposed which are based on the attraction of a magnet, which removes iron parts from the material flowing past it. Non-ferrous metal parts, stones or the like cannot be separated with these devices. Centrifugal cleaners have been developed for the separation of mixture components with a relatively high density per se, but small dimensions, which are particularly difficult to separate from viscous substances, which are based on the action of a rapidly rotating disc or an impeller, which set the substance in rapid rotation , whereby the outer, heavier phase, which contains the centrifuged parts, is separated off and the cleaned core of the mixture is removed near the axis by pressure or suction.
A proper separation of mixtures with these devices has not yet been achieved. The main reason for this is that due to the simultaneous and almost equally strong influence of the centrifugal effect on the lighter and the heavier phase of the latter, there is no opportunity to settle under the effect of their own weight; in addition, the path length of the goods in the area of the centrifugal organs corresponding to a sufficient sedimentation time is usually missing.
The disadvantages mentioned are eliminated by the invention.
The method according to the invention is characterized in that the mixed flow to be separated, set in rotation, is divided into two coaxial partial flows, separated by a vortex core, possibly shrunk to form a surface, the inner partial flow essentially by the lighter phase and the outer partial flow in the essentially forms the heavier phase, and that the two partial flows flow through a separating path running from top to bottom, possibly lengthened, whereupon the heavier phase settles due to its own weight, while the lighter phase is deflected and continued due to its flow energy.
The novelty of the at least one rotor in a known manner, a device forming the housing or having a stator surrounded by a housing for practicing the method proposed according to the invention is that the housing, which is provided with an inlet connection and at least two outlet connection, has an essentially perpendicular axis of rotation mounted rotor, preferably driven by the bottom, is provided on its outer lateral surface with the rotation of the mixed flow supplied from above and the stator surrounding the rotor is provided on its inner lateral surface with the rotation of the mixed flow attenuating organs
These organs suitably consist of projections such. B. ribs, plates, knobs, needles or the like.
The projections can be arranged in such a way that the line of intersection of their planes of symmetry coincides with the rotor axis. But they can also run along a helical line, the axis of which coincides with the rotor axis. Finally, they can also run in planes that intersect the rotor axis at right angles. Likewise, combinations of different types of projections can be provided.
The inner parts of the device, but at least the organs, can have a roughness which increases the surface friction of the mixture flow or can be provided with a corresponding concern or coating.
The rotor and / or the stator can be designed as a body of revolution at least over part of their length, the generatrix of which intersects the rotor axis at least once at a finite level.
For example, the rotor and the stator can be designed as two coaxially arranged truncated cones, which between them enclose an annular gap of constant cross section.
The cross section of this annular gap can preferably be changed and adjusted by relative axial displacement of the rotor or stator.
The rotor can be made hollow and serve, for example, as a feed line to the outlet connection for the lighter phase, which is arranged centrally on the top of the housing.
In order to support the flow of the lighter phase to be discharged, axially acting vanes or blades can be arranged in the interior of the hollow rotor.
The rotor can be closed at its lower end; in this case slots are provided in the casing of the rotor near its lower end for the radial inflow of the lighter phase.
The axially or approximately axially extending webs between the slots can be designed as blades or provided with blades in order to facilitate the inflow of the lighter phase into the interior of the hollow rotor.
In a special embodiment of the device, the outlet nozzle for the lighter phase provided at its lower end has a discharge pipe arranged coaxially to the rotor axis, the upper edge of which lies within the hollow rotor, which is open at the bottom and higher than the lower edge of the latter.
In a further embodiment of the invention, at least one of the nozzles arranged on the housing is equipped with a throttle or shut-off element and optionally with measuring and / or recording instruments; Likewise, preferably automatic regulating and / or control elements can be provided on the connecting piece or at other points on the housing or the pipelines leading to the housing.
At least that on the outlet nozzle for the heavier ones. Phase provided shut-off device can be designed as a rotary valve; this is particularly advantageous when there is overpressure and underpressure inside the device and the separated heavier phase is to be removed continuously without interrupting operation.
Expediently, radially acting vanes or blades are provided on the rotor axis in the area of the housing bottom, which convey the separated heavier phase into the outlet connection provided for them by centrifugal action. Instead of this, a disk can also be provided with a vane running helically to the rotor axis, which has a more pushing effect on the heavier phase to be conveyed into the outlet connection instead of the centrifugal effect.
A plurality of extraction lines starting from any points inside the device can advantageously be provided for tapping phases of different degrees of separation or purification.
The stator and the housing of the device are expediently made of a single piece, which is not only to be understood as a cast piece, but also as a whole that is welded together from several parts.
The invention is described with reference to the drawing.
In the latter, the device according to the invention is shown schematically by means of a few examples in corresponding sections, namely show:
1 shows an embodiment of the device with a frustoconical housing,
2 shows another embodiment with a cylindrical housing,
3 to 5 are schematic representations of the separation of the mixture into a lighter and a heavier phase inside a device,
6 and 7 the bottom part of another embodiment of the device and
8 shows a further embodiment of a device.
The embodiment shown in Fig. 1 has at the top an inlet nozzle 1 for the bev example of dissolved waste paper pulp be standing mixture, which stones, nails, screws and other heavy dirt can be added.
The mixture enters a conical housing 2 through the inlet nozzle 1, which promotes and accelerates the removal speed of the heavy parts (solid arrows) from the housing. A housing that tapers in the direction of flow, on the other hand, would slow down the removal of the heavy components, which can be desirable in certain cases. It is thus in hand to influence the speed of discharge or the dwell time of the heavy components in the device. The mixture initially flows into an upper cavity 3. From there it flows against the upper conical bottom 4 of the rotor 5, which is designed as a rotating hollow body. The bottom 4 could also be flat or curved. Rib-shaped, radially extending conveyor blades 6 sit on it, along which the mixture flows and by which it is centrifugally accelerated.
The heavy components (solid arrows) are thrown against the inner wall of the housing 2 shortly after entering, while the light components (dotted arrows) are displaced into the uppermost area of the outer casing of the rotor 5. So sedimentation or separation of the mixture into a heavier and a lighter phase occurs between the rotor 5 and the housing 2. The heavier phase accordingly circulates down the inner wall of the housing, describing a spiral path, and passes out of the housing into an outlet connection 7, where it collects.
The lighter phase also describes a spiral path in the same axial direction, but is pushed inwards, that is to say against the rotor 5, by the heavier outer phase. The two phases, which form two partial flows, are separated from one another by an approximately cylindrical vortex core. In order to separate even very slowly sedimenting fractions, for example metal needles, quartz grains, etc. from the mixture as completely as possible, ribs 6 'extending at least approximately axially are arranged on the rotor.
They increase the rotation of the mixed flow and thus inevitably bring about a continued and very effective separation of parts belonging to the heavier phase, even if they have a relatively low mass.
By appropriately dimensioning the speed and / or the diameter of the rotor 5, effective acceleration values can be achieved which, in cooperation with the appropriately long flow path of the mixture to be separated or its light and heavy components, enable the complete separation of such mixtures.
On the axial flow path, the mixture is increasingly broken down into its lighter and heavier phases. The heavy parts fall further down, always descending on the wall of the housing 2 in a spiral. The lighter phase, on the other hand, is pushed completely inward under the rotor 5 and, because of its lower mass, now flows against the axis of the device. A drain pipe 8 ′, which is connected to the outlet connection 8 for the lighter phase and whose upper end extends into the cavity of the rotor 5, is arranged coaxially around the axis. As a result, the lighter phase is forced to rise up over the edge of the drain pipe 8 ', from where it flows into the outlet connection 8. Through the outlet nozzle 7 for the heavier phase, the latter is closed by means of a shut-off device 9, e.g.
B. a flap, drained from time to time. Instead of a flap, another manually or automatically operated throttle or shut-off device, e.g. B. a rotary valve may be provided.
Ribs 10 extending or wound in the axial direction can be arranged on the inner wall of the housing 2. These have the consequence that the heavy parts flowing down the wall of the housing 2 in a spiral are prevented from rotating by the flanks of the ribs 10 as soon as they are sufficiently sedimented, that is, thrown far enough to the outside and as light parts as possible are exempt. This causes the heavy parts to be eliminated more quickly. The path of the mixture, which can be chosen as long as required, according to the composition of the latter, enables a complete separation into a heavier and a lighter phase, as is not possible in the known devices.
According to the principle of the invention, the device can be designed with any length of path for the mixture or for its separate components.
Fig. 2 shows another embodiment of the device proposed according to the invention. The mixture enters the housing 102 through the inlet connection 101 at the top left. The entry is tangential, so that the mixture is separated into a lighter and a heavier phase by the cyclone effect when the flow rate is sufficient. The heavier phase (solid arrows) is sedamented on the inner wall of the housing 102, while the lighter phase (dotted arrows) is displaced against the emission of the rotor 105. Both components then continue their way separately in the direction from top to bottom. On their way they reach the area of the approximately axial ribs 106 'arranged on the rotor 105.
They have a certain axial length in accordance with the required sedimentation time and the required flow path of the mixture in the device in order to achieve a complete separation of the lighter from the heavier phase. The heavy parts are centrifugally accelerated by the ribs 106 'and pass into a winding channel 111 arranged on the inner wall of the housing 102. In the channel 111, the heavy parts sedimented in the same become the light due to the friction with the layer rotating on a smaller shell diameter Phase held in continued rotation at a lower speed and conveyed downward in the downwardly winding channel 111 corresponding to the direction of rotation.
At the lower end of the channel 111, the heavy parts exit the same and get into the outlet nozzle 107, from which they are emptied continuously or periodically by means of a shut-off device 109. For trouble-free emptying, a wing or show fefrad 112 can be arranged below the winding channel 111 be, which accelerates the heavy parts centrifugally and throws them into the outlet nozzle 107. Due to the sedimentation of the heavy parts in the winding channel 111, the lighter phase is displaced against the rotor axis up to between the ribs 106 'and centrifuged by the latter until it has reached the lower end of the ribs 106'.
As a result, with an appropriate design, the length of the ribs 106 ', the speed or the diameter of the rotor 105 and the outside, z. B. by means of pumps and / or throttling devices controlled flow rate a complete liberation of the lighter phase of heavy components can be achieved. In order to lengthen the residence time of the lighter phase as required and to reduce the required sedimentation height, annular disks 113 can be arranged between the ribs 106 'of the rotor 105, which the lighter phase must cross over on its flow path. As a result, heavy components are forced to pass into the sedimentation zone of the heavy components on the shortened flow path of the lighter phase within the section lying between two annular disks 113.
This is associated with a sudden and abrupt increase in the centrifugal force of the heavy components from ring disk to ring disk and a corresponding acceleration of the sedimentation of the latter. The heavy parts therefore only need to take part in a relatively short section of the flow path of the lighter phase, as a result of which the device is particularly effective.
Axial, rib-like projections 110, which preferably only have a small radial height, can also be arranged on the inner wall of the housing 102. Rib-like projections 110 of this type interrupt the smooth downward flow of the heavy components in the winding channel 111 in such a way that the sedimented phase, which still carries a relatively large number of light components, is forced to climb over the rib-like projections 110. The lighter fractions, which are still mixed with the heavy fractions, get back into the sedimentation zone between the rotor ribs 106 'and the winding channel 111, as a result of which they are returned to the inner, light phase by displacing light fractions.
3 shows only a basic representation of the process in the device, that is, the formation of two layers, the downward sedimenting (solid arrows) and the one displaced upward by the rotor (dotted arrows).
4 explains the initiation of the separation of the mixture into an externally sedimented layer of heavy fractions (solid arrows) and the lighter phase displaced inward between the ribs 106 'and possibly attached annular disks 113, which is associated with the tangential entry of the mixture.
5 shows the hydrodynamic mode of operation of the device and the kinetics effective in the same on any plane transverse to the axis.
The mixture is accelerated by the ribs of the rotor. As a result, the heavy parts (solid arrows) are sedimented between the axial ribs of the housing and sink along the housing in the axial direction. At the same time, the lighter phase (dotted arrows) is displaced inwards towards the rotor and is kept rotating by its ribs, so that during the entire dwell time of the lighter phase between the ribs of the rotor, more and more of the heavy parts are thrown against the housing, until the lighter phase is free of heavy components.
6 shows an embodiment with conical annular disks 113 'on the rotor. The result of this design is that the lighter phase, with possibly even heavier components, slides more easily into the sedimentation layer between the rotor ribs and the stator ribs or the winding thread on the housing.
The sedimentation in the direction from the axis of the device to the housing wall and in the possibly provided, twisted channels can be made even more effective and accelerated by arranging magnets on the inner wall and / or on the outer wall of the housing outside the sedimentation zone, which cause the precipitation of iron parts, especially the smallest particles, from the mixture to be separated.
6 and 7 show, as an example of the exit of the heavy components, a disc 115 with a spiral-shaped blade 116, which is arranged on the rotor axis in the area of the housing bottom. Compared to the impeller or blade wheel 112 shown in FIG. 2, the spiral blade 116 has the Advantage that heavy metal parts are not pushed against the outlet connection 107 with tangential acceleration, but with a moderate radial acceleration, thereby avoiding damage to the housing or the blades or unusual wear of the same.
Fig. 8 shows an embodiment in which the mixture, as described above, is first guided downwards between a central rotor with accelerating ribs on the bottom and on the jacket on the one hand and an optionally multi-thread, winding channel on the other. Then, however, the light component does not rise up through the interior of the rotor, but up through a jacket space between the inner stator 318 and the outer stator 302, which is designed as a housing. The housing 302 in turn has a tortuous channel 311 (given multiple threads). Since the channel 311 is wound downwards on the inner wall of the housing 302, the heavy components in this channel are guided downwards, that is to say in countercurrent to the light phase rising upwards directly next to it.
This countercurrent effect results in a particularly intensive and sharp separation of relatively heavy parts from the lighter phase, so that the separation of parts with relatively low weight differences is also effective.
Vanes 319 rotate between the winding channel 311 and the inner stator 318. These can be connected by annular disks 320 or conical annular disks 321 lying on a plane perpendicular to the axis of the device. Flat ring disks prevent the lighter phase from having too high a flow velocity. A sufficiently long dwell time within the action area of the accelerating rotor ribs 306 ′ and the vanes 319 is thus imposed on the lighter phase, depending on requirements. The conical annular disks 321 can also be arranged in such a way that they bring about a reduction in the flow speed of the lighter phase while the speed of the rotor remains constant. The heavy components can exit the device at any sedimentation point, preferably at the periphery of the bottom of the housing 302.
The path of the lighter phase is indicated by dotted arrows, while the path of the separated, heavy components is shown by solid arrows.
So that any number of phases of different degrees of separation or purification can be tapped off as required, it is expedient to provide extraction lines starting at any point in the interior of the device, which can be equipped in a known manner with throttling or discharge elements.
The device described and only shown by way of example in the drawing can of course experience structural modifications without departing from the inventive concept; In particular, individual parts of the device can be replaced by equivalent elements.