Einrichtung zur Abscheidung und Fraktionierung von in einer Flüssigkeit gelöstem oder suspendiertem Material
Es ist an sich bekannt, dass ein gewisses Mass von Abscheidung stattfindet, wenn in einer Flüssigkeit suspendierte oder gelöste Materialien durch eine Leitung fliessen, oder allgemein ausgedrückt, wenn ein solches fliessfähiges Medium eine relative Geschwindigkeit bezüglich eines festen Körpers aufweist. Es wurde festgestellt, dass ein Absinken der Konzentration des gelösten oder suspendierten Materials nahe beim festen Körper eintritt, entlang dem der Fluss erfolgt. Es ist ferner bekannt, dass eine Ansammlung von Partikeln am Führungsende von beschränkter Länge der Suspension entsteht, welche man durch einen Behälter fliessen lässt, beispielsweise durch ein Rohr.
Bei Einrichtungen mit einem Behälter, beispielsweise einem Rohr oder einem Kanal, die relativ zur Flüssigkeit bewegt werden zu einer im wesentlichen ruhenden Flüssigkeit, bewirken eine Ansammlung von Materialien, welche entgegen der Bewegungsrichtung des Gehäuses od. dgl. gerichtet ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abscheidung und Fraktionierung von Material, das in einer Flüssigkeit suspendiert oder gelöst ist, wobei der oben erwähnte Effekt ausgewertet wird. Beispiele bei denen eine Separation gemäss der Erfindung angewendet werden kann, sind die folgenden:
Rückgewinnung von Fasernmaterial aus Abwässern oder Ablauge von Pulpe und von Papiermühlen. Abscheidung bzw. Trennung von Fasern die für die Wiederverwendung geeignet sind von nicht erwünchten Fasern oder andern Artikeln.
Reinigung von abfliessender Pulpe-Flüssigkeit und von Papiermühlen,
Reinigung von kommunalen und industriellen Abwässern,
Fraktionierung von Mischungen von kurzen oder langen Fasern in Suspension, z.B. Abscheidungen von Sulphit-Fasern von Holz-Pulpe bei Verwendung von Abfallpapier,
Erhöhung der Konzentration oder Fraktionierung von kolloidalen Systemen oder Lösungen von niedrigoder hochpolymeren Substanzen,
Erhöhung der Konzentration oder Fraktionierung von biologischen Systemen wie Suspensionen, welche Kulturen von Hefepilzen oder Penicillin-Kulturen enthalten.
Es ist bekannt, dass ein Separations- und Fraktionseffekt bei den oben erwähnten Systemen erhalten werden kann unter Verwendung beispielsweise einer Sedimentation, Zentrifugierung, Filtrierung, Flotation oder eines Filtrierprozesses. In Berücksichtigung des Umstandes, dass eine grosse Zahl von einzelnen Prozessen für die Abscheidung oder Fraktionierung von gelöstem oder suspendiertem Material in einer Flüssigkeit zur Hand sind, war es bisher nicht möglich, mit diesen Verfahren alle Reinigungs- und Abscheidungsprobleme zu lösen. Ein Beispiel, das Schwierigkeiten verursacht, liegt in der Filterverstopfung, namentlich bei der Behandlung von kolloidalen oder gelierenden Materialien. Schwierigkeiten können auch auftreten bei der Sedimentation oder Zentrifugierung, wenn zwei Phasen angenähert die gleiche Dichte haben.
Es nützt dabei wenig, dass bei Flotationsverfahren Chemikalien verwendet werden, welche in den nachfolgenden Prozessen Schwierigkeiten ergeben und sich bei der Verwendung des Produktes nachteilig auswirken.
Durch die erfindungsgemässe Einrichtung sollen diese Schwierigkeiten eliminiert wenden, wobei der Reinheitsgrad vergleichsweise hoch sein soll.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abscheidung und Fraktionierung von in einer Flüssigkeit gelöstem oder suspendiertem Material unter Benützung des Akkumulations-Effektes, welcher als Folge einer Relativbewegung zwischen der Lösung oder Suspension und einem diese umgebenden Gehäuse stattfindet.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem oder mehreren Kanälen besteht, die so angeordnet sind, dass die Suspension und eine andere Phase bestehend aus einem Gas, einem Fluid oder festem Material an den Kanalenden periodisch zugeführt werden, um einen Durchfluss der Suspension durch den Kanal in Form von Fluid-Pfropfen zu erhalten, die von der andern Phase getrennt sind, und am andern Kanalende ein Fraktions-Sammler vorhanden ist zum Auffangen der durch den Akkumulationseffekt in jedem separaten Suspensions- oder Fluid-Pfropfen erhaltenen Fraktionen.
Wenn das Gehäuse aus mehreren Rohren oder Kanälen besteht und wenn eine Relativbewegung zur Ermöglichung des Akkumulationseffektes erhalten werden soll, kann dies dadurch erfolgen, dass der Fluss der Suspension relativ zum Gehäuse, zu den Rohren oder Kanälen, vorzugsweise aus parallelen, geraden Rohren besteht, welche um eine gemeinsame Welle rotieren und wobei die Rohre sich von einer Antriebskammer für die Suspension erstrecken.
Wenn das Gehäuse lediglich aus einem Kanal besteht und die Relativbewegung zur Erzeugung des Akkumulationseffektes durch die Bewegung des Gehäuses relativ zur Suspension erhalten wird, kann das Rohr oder der Kanal auch aus einem schraubenförmigen Rohr gebildet werden, wobei dieses um die Schraubenachse rotieren kann und das eine Ende während eines Teiles jeder Umdrehung in die Suspension eintaucht.
Bei einer Ausführungsform kann das Gehäuse aus einem Kanal bestehen, und die Relativbewegung für die Erzeugung des Akkumulationseffektes kann durch eine Bewegung des Gehäuses relativ zur Suspension erreicht werden, wobei das Gehäuse eine Ringkammer bildet, die zwischen zwei konzentrisch angeordneten Zylindern gebildet wird, wobei mindestens einer derselben rotiert, so dass die Suspension in Form eines Ringsektors durch den Kanal fliesst und Fraktionen bildet, welche in einem Fraktionssammler, vorzugsweise an einer Stirnseite der Zylinder, aufgefangen werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfingungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Einrichtung,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 ist eine Vorderansicht der Einrichtung gemäss Fig. 1, Fig.4 ist der Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 1,
Fig. 5 ist ein Längsschnitt duch eine Ausführungsvariante der Einrichtung,
Fig. 6 ist eine Vorderansicht der Einrichtung gemäss Fig. 5,
Fig. 7 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform, wobei sich das Gehäuse relativ zur Flüssigkeit bewegt.
Die Einrichtung gemäss den Fig. 1 4 enthält im wesentlichen eine Eintrittskammer 1 für die Suspension, ein Rohrbündel 2 für den Durchfluss der Suspension und deren gleichzeitiger Fraktionierung und ferner einen Fraktions-Sammler 3, in welchem die verschiedenen Fraktionen aufgefangen werden. Die Eintrittskammer 1 und das Rohrbündel 2 sind auf einer Welle 4 drehbar angeordnet, wobei die Welle durch einen Motor 5 mit Hilfe von Transmissionsgliedern angetrieben ist. Der Sammler 3 anderseits ist stationär, weist ein Lager für die Welle 4 auf und wird auf der einen Seite mit Hilfe einer Feder 6 gegen das Rohrbündel angepresst. Diese ist konzentrisch zur Welle 4 angeordnet und liegt zwischen dem Sammler 3 und einem Wälzlager 7, das auf der Welle 4 sitzt.
Die Welle 4 wird durch Stützen 9, 10 oder einen Rahmen abgestützt und so gehalten, dass das Rohrbündel zur Horizontalen eine Schräglage einnimmt.
Die Einrichtung kann zudem mit Pumpen oder Ventilatoren versehen werden. Die Eintrittskammer 1 besteht aus einem Hohlzylinder, wobei der innere kreisförmige Querschnitt der gleiche ist wie die Querschnitte der Rohre 2. Die vordere Stirnseite 11 des Sammlers ist mit einer zentralen runden Öffnung 12 zur Zugabe der zu behandelnden Suspension versehen. Anstelle dieser Öffnung 12 wäre auch eine Zufuhr über eine hohl ausgebildete Welle 4 möglich. Die innere Scheibe 13 dieses Hohlzylinders ist mit Öffnungen für die Rohre 14 versehen.
Das Rohrbündel 2 besteht aus einer Mehrzahl von geraden, parallel zueinander verlaufenden Rohren 14, die parallel zur Welle und in koaxial liegenden Kränzen um diese herum angeordnet sind. Diese Rohre öffnen sich sowohl gegen die Eintrittskammer 1 als auch gegen den Sammler 3 hin. Die Rohre 14 haben einen kreisförmigen Querschnitt; es wären jedoch auch andere Querschnittsformen möglich.
Der Sammler 3 besteht aus einem Hohlzylinder mit dem gleichen innern kreisförmigen Querschnitt, wie ihn die Eintrittskammer 1 aufweist. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist dieser Sammler 3 mit einer Mehrzahl von Kammern 15 versehen, die durch Trennwände 16, welche vorzugsweise verstellbar ausgebildet sind, unterteilt sind, wobei sich diese Trennwände zwischen dem Lager 17 und dem Mantel 18 erstrecken. Die Trennwände haben eine gekrümmte Form.
Die Einrichtung gemäss den Fig. 1 - 4 arbeitet in folgender Weise:
Die zu behandelnde Suspension wird der Eintrittskammer 1 zugeführt, jedoch nur bis zu einer gewissen Höhe, so dass Raum oberhalb der Suspension für eine andere Phase verbleibt, die im vorliegenden Beispiel aus einem Gas, vorzugsweise Luft, besteht. Während der Drehbewegung der Rohre 14 wird periodisch ein Pfropfen der Suspension vom Gas abgetrennt; wenn der Pfropfen durch die Rohre fliesst entsteht der in der Beschreibungseinleitung erwähnte Akkumulationseffekt, und es werden Pfropfen mit einer hohen Konzentration des suspendierten oder gelösten Materials am vorderen Pfropfenende erhalten. Die Konzentration nimmt gegen das hintere Ende des Pfopfens ab und ist an seinem Ende angenähert Null.
Die Trennwände 16 des Sammlers 3 werden verwendet, um die gewünschten Teile des Pfropfens zu erhalten, wobei in den verschiedenen Kammern 15 Fraktionen unterschiedlicher Konzentration gesammelt werden. Die gewölbte Form der Trennwände 16 macht es möglich, Fraktionen der gleichen Konzentration von den Rohren zu sammeln, unabhängig von ihrer radialen Distanz zur Welle. Wenn eine Richtung verwendet wird, bei welcher ein Rückstau zur Anwendung gelangt, werden die Trennwände radial oder angenähert radial angeordnet. Die gesammelten Fraktionen in den verschiedenen Kammern 15 können den Rohren 19 entnommen werden.
Die Zusammensetzung der Fraktionen und die Kapazität der Einrichtung hängt von den äusseren und innern Dimensionen, der Rohrlänge, dem Neigungswinkel und der Drehzahl ab. Die grösste Kapazität wird erhalten, wenn die Rohre bezüglich der äusseren Dimensionen und den Dimensionen des Rohrbündels eng aneinander liegen.
Beispiele für den Wirkungsgrad der Einrichtung nach den Fig. 1 - 4 seien nachfolgend gegeben. Die Resultate beziehen sich auf Versuche mit Suspensionen von Pulpe, welche man durch die Rohre fliessen liess, deren Innendurchmesser 6 mm betrug und deren Durchflussmenge 0,42 1/min. betrug. Die übrigen Versuchsbedingungen waren die folgenden:
Rohrlänge = 1,00 m
Länge des Suspensions-Pfropfens im Rohr = 0 5 m
Faserkonzentration beim Einlass 0,40 g/l
Temperatur = 200 C
Die Ergebnisse sind in der nachflogenden Tabelle I angeführt.
Tabelle
Fraktion pro Fraktion Pfropfen- Konzen- des Faser
Volumen tration gewichtes o/o g/l O/o Fraktion I 10,5 1,9 49,9 Fraktion II 39,5 0,40 39,5 Fraktion III 50,0 0,088 10,7
Bei ähnlichen Versuchen, bei welchen der Innendurchmesser der Rohre 8,0 mm waren, wurden die Ergebnisse in der Tabelle 2 aufgeführt.
Die Versuchsbedingungen waren die folgenden:
Durchflussmenge 0,41 l/min./Rohr
Faserkonzentration beim Einlass 0,5 g/l
Länge des Rohres 1,00 m
Länge des Dispensionszapfens im Rohr 0,4 m
Temperatur 20 C
Tabelle 77
Fraktion pro Fraktion Pfropfen- Konzen- des Faser
Volumen tration gewichtes O/o g/l Fraktion I 12,5 1,9 47,5 Fraktion II 37,5 0,52 39,0 Fraktion III 50,0 0,13 13,0
Die Fraktionen I, II und III gemäss den Tabellen 1 und 2 wurden durch Aufteilung des Suspensionszapfens entsprechend der schematischen Zeichnung erhalten.
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Wie aus den Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, wird ein wesentlicher und vom wirtschaftlichen Standpunkt aus interessanter Separations- oder Anreicherungseffekt bei einer vergleichsweise kurzen Rohrlänge, durch welche die behandelte Flüssigkeit fliesst, erhalten. Der Grad der Separation kann nahe an das theoretische Maximum (Sedimentation-Konzentration mit niedriger Eingangskonzentration) gebracht werden durch geeignete Auswahl der Rohrlängen, der Länge der Suspensionspfrop fen und der Durchflussmenge. Es wurde festgestellt, dass eine erhöhte Abscheidung erhalten wird, wenn geringe Werte des Verhältnisses Pfropfenlänge zur Rohrlänge und eine geringe Durchflussgeschwindigkeit eingehalten werden. Eine erhöhte Durchflussgeschwindigkeit war mit einem Abfall des Abscheidungsgrades verbunden.
Es wurde festgestellt, dass der Grad der Separation bei kleinem Rohrdurchmesser wirkungsvoller war. Messungen bei welchen der Rohrdurchmesser in der gleichen Grössenordnung war wie die Partikelgrösse, konnten nicht festgestellt werden. Wenn der Rohrdurchmesser vergrössert wird, kann der geringere Wirkungsgrad der Einrichtung durch geeignete Wahl der Durchflussgeschwindigkeit und der Rohrlänge kompensiert werden.
Anstelle der beschriebenen Einrichtung mit einem Fluss der Suspensionspfropfen durch verschiedene gerade Rohre, wären auch andere Ausbildungen zur Erreichung einer kontinuierlichen Arbeitsweise möglich, indem beispielsweise sektorförmige, pneumatisch betriebene Fanganlagen für die periodische Zugabe von Suspensionen und andern Phasen möglich sind. Der Fraktions-Sammler kann auch so angeordnet werden, dass er zur Zugabe der Suspension synchron mit der Einrichtung rotieren kann.
Es wurde bereits erwähnt dass der Akkumulationseffekt nicht nur beim Durchfluss der Flüssigkeit oder Suspension durch ein umgebendes Gehäuse, beispielsweise ein Rohr erfolgt, sondern auch in demjenigen Falle, wo das Gehäuse, beispielsweise ein Rohr oder ein Kanal ist, das sich relativ zum Kanal bezüglich des im wesentlichen ruhenden Fluides bewegt. Eine derartige Einrichtung ist schematisch in Fig. 5 gezeigt.
Das Gehäuse ist als Trommel 20 ausgeführt, wobei zwei konzentrisch ineinanderliegende Zylinder 21, 22 vorhanden sind. Diese Zylinder sind so angeordnet, dass sie in der gleichen Richtung um die Welle 23 gedreht werden können. Der Antrieb erfolgt durch übliche Mittel. Die Welle 23 ist durch Stützträger 24, 25 abgestützt.
Eine der Stirnseiten des äusseren Zylinders besitzt eine zentrale Öffnung 26, durch welche die Suspension zugegeben werden kann. Diese Suspension fliesst sodann durch den Kanal 22, dessen Querschnitt die Form eines Kreissektors hat. Die Fraktionen werden in einem Fraktions-Sammler 27 gesammelt, welcher stationär ist und als Fortsetzung des Kanals 20 ausgebildet ist, jedoch lediglich einen Winkel vt überdeckt, welcher grösser ist als der Zentriwinkel des Ringsektors für die Lösung.
Der Fraktions-Sammler enthält ferner Querwände 28 welche zur Unterteilung der verschiedenen Fraktionen Sektionen 29 bilden. Die Zahl der Wände 28 kann variiert werden, um eine Mehrzahl von Sektionen 29 entsprechend der gewünschten Anzahl von Fraktionen zu erhalten. Die Querwände sollen vorzugsweise als einstellbare Seitenwände ausgeführt werden. Ein Rohranschluss 30 dient zur Sammlung der verschiedenen Fraktionsrohre. Im Kanal 20 befindet sich ein Abstreifer 31 zum Abstreifen der Zylinderwände 21, 22.
Bei der Einrichtung gemäss den Fig. 5 und 6 werden Fraktionen erhalten, die im wesentlichen denjenigen entsprechen, wie sie durch die Einrichtung nach den Fig. 1 - 4 erhalten werden. Die Fluss-Stabilität kann erhöht werden, durch Anordnung von tangential gerich teten Leitblechen an der innern Zylinderwand. Auf diese Weise gelingt es, den Wirkungsgrad der Einrichtung zu erhöhen. Es ist natürlich möglich, zur Anpassung an unterschiedliche Separations-Fälle die Drehgeschwindigkeit, die Ringbreite, die Durchflussgeschwindigkeit und die Ringlänge den Bedürfnissen entsprechend anzupassen. Die Breite der Ringkammer braucht nicht über die ganze Länge konstant zu sein. Es ist ferner auch möglich, andere Einrichtungen zur Zugabe und zum Auffangen des Fluides und der Fraktionen vorzusehen, wobei z. B.
Fraktionen mit unterschiedlicher Konzentration an verschiedenen Stellen entlang des Umfangs der Ringkammer entnommen werden können. Bei einer ausgeführten Ausbildung war der eine Zylinder stationär während der andere Zylinder rotierte. In diesem Fall war die Separation infolge des Einflusses der stationären äusseren Wand nicht so wirkungsvoll. Dagegen war es möglich, die Ausbildung für die Zugabe und das Auffangen der Lösung sehr einfach zu gestalten.
Eine andere Ausführungsform, welche nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie diejenige nach den Fig. 5 und 6, ist in Fig. 7 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein schraubenförmig gewundenes Rohr vorhanden, welches an beiden Enden 33 und 34 geöffnet ist.
Dieses Rohr kann sich um eine Welle 35 herum drehen, wobei die Wellenachse mit der Schraubengang-Achse zusammenfällt. Die Welle 35 wird durch zwei Stützträger 36 und 37 abgestützt und ist um einen Winkel v2 zur Horizontallage geneigt, der kleiner ist als der Steigungswinkel des Schraubenganges. Ein nicht dargestellter Behälter enthält die Suspension, so dass das eine Ende 33 des Rohres am untern Ende des Schraubenganges je während eines Teiles einer Umdrehung in die Lösung eingetaucht ist. Die Lösung füllt lediglich einen Teil jedes Schraubenganges, wodurch in den so getrennten Segmenten eine Fraktionierung erhalten wird. Am Ausgang wird eine Abscheidung der Lösungssegmente in zwei oder mehrere Fraktionen erhalten, z.
B. durch Anordnung von Trennwänden in einem Fraktions-Sammler (nicht dargestellt), welche vorzugsweise stationär am obern Ende des Schraubenganges angeordnet werden.
Für gewisse Abscheidungen können mehrere solcher Einrichtungen in Kaskadenform verwendet werden. Die Ausbildung kann auch so getroffen werden, dass sie in Kombination mit konventionellen Prozessen verwendet wird, wobei die Rückgewinnungs- oder Separationsprozesse besser an die zur Verfügung stehenden Verfahren angepasst werden können. Solche Kombinationen können die Kosten der ganzen Behandlung senken.