DE10038282C2 - Hydrozyklon und dessen Verwendung - Google Patents
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- B04C2005/133—Adjustable vortex finder
Description
Die Erfindung betrifft einen Hydrozyklon gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hydrozyklone dieser Art sind bekanntlich gut geeignet, um durch Zentrifugalkräfte
Leicht- und Schwerteile in Flüssigkeiten aufzukonzentrieren und durch dafür
vorgesehene Austragsöffnungen aus dem Hydrozyklon herauszuleiten. Eine besonders
wichtige Verwendung für solche Hydrozyklone ist die Reinigung und Entgasung von
Faserstoffsuspensionen für die Papiererzeugung. Dann ist z. B. die eine Leichtfraktion
der gereinigte Gutstoff, die andere Leichtfraktion dient der Entgasung oder der
Entfernung von Styropor, und in der Schwerfraktion werden kleine Metallteile,
Glassplitter und Sand abgeschieden.
Aus der WO 91/06374 A1 ist ein Hydrozyklon bekannt, mit dem drei Fraktionen gebildet
werden können. Dieser Hydrozyklon ist mit zwei relativ großen konischen
Abscheidekammern versehen, die gesamthaft zueinander verstellbar sind. Das treibt
sowohl die Baugröße als auch die Herstellungskosten in die Höhe. Außerdem ist mit
Instabilitäten und Energieverlusten durch die sprunghafte Erweiterung bei Eintritt der
einen Leichtfraktion in den obersten Teil des Hydrozyklons zu rechnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Hydrozyklon zum Ausbringen von
leichten Störstoffen und/oder Luft zu schaffen, mit dem eine verbesserte Abscheidung
solcher Störstoffe möglich ist, ohne dass hoher zusätzlicher apparativer Aufwand nötig
ist und mit dem der zum Betrieb erforderliche Energieaufwand gesenkt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale
gelöst.
Dabei ist anzuerkennen, dass bei der Bildung von mehr als zwei Fraktionen die dritte
Fraktion auch als Mittelfraktion oder weitere Schwerfraktion definiert werden könnte.
Die hier gewählte Terminologie kommt den typischen Anwendungsfällen des
Erfindungsgegenstandes am nächsten.
Insbesondere bei Faserstoffsuspensionen, die in der Papierindustrie zur
Papiererzeugung aufbereitet und verwendet werden, ist die darin enthaltene Luft oft
sehr problematisch. Der Erfindungsgegenstand bietet nun die Möglichkeit, auch bei an
sich zur Schwerteilentfernung vorgesehenen Hydrozyklonen ohne großen zusätzlichen
Energieeinsatz eine ausreichende Stoffentlüftung vorzunehmen. Das kann sogar dazu
führen, dass in vielen Fällen die Entgasungscleaner entfallen können, welche
zusätzlichen Aufwand erfordern und in der Regel einen beträchtlichen Druckverlust
herbeiführen, der dann durch entsprechenden Energieeinsatz ausgeglichen werden muss.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Hydrozyklone führt dazu, dass in dem Bereich,
in dem sich die Einlauföffnung des inneren Leichtstoffrohres befindet, die
Rotationsströmung der Suspension sowohl verstärkt, als auch stabilisiert wird. Da
nämlich die konische Verjüngung die Strömung nach innen führt, wird sie in
Umfangsrichtung wesentlich beschleunigt. Das hat den Vorteil, dass starke
Zentrifugalkräfte gerade an der entscheidenden Stelle, nämlich der Einlauföffnung,
herrschen.
Gleichzeitig wird ein örtlich stabilisierter Wirbelkern erzeugt, ohne den sich Nachteile
bei der Ausscheidung der leichten Störstoffe, insbesondere der Luft, durch radiale
Versetzung des Strömungswirbels ergeben könnten. Zudem führen solche Unstetigkeiten
zu Querschwingungen im Entlüftungsrohr und damit zu Störungen.
Spezielle z. B. in den Unteransprüchen beschriebene Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes können den Effekt noch weiter verbessern.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei
zeigen:
Fig. 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Hydrozyklons;
Fig. 2, 3 und 4 jeweils Varianten des Erfindungsgegenstandes in Teilansicht;
Fig. 5 einen Hydrozyklon mit Gutstoff als Schwerfraktion.
In Fig. 1 ist der obere Teil eines erfindungsgemäßen Hydrozyklons in geschnittener
Seitenansicht dargestellt. Der untere Teil des Hydrozyklons ist hier weggelassen. In ihm
wird bekanntlich die Schwerfraktion (Pfeile 11) aufkonzentriert und abgeleitet.
Der Hydrozyklon wird über ein tangential angebrachtes Einlaufrohr 2 mit der zu
behandelnden Flüssigkeit 1 gefüllt. Vorzugsweise ist der Hydrozyklon so aufgebaut, dass
mit ihm Fasersuspensionen für die Papierproduktion aufbereitet, also von Störstoffen
und/oder Luft gereinigt werden können. Der untere Teil des Hydrozyklons ist nur
angedeutet, da Hydrozyklone bekannt sind. Zur Ausleitung der ersten Leichtfraktion 3
hat der Hydrozyklon ein äußeres Leichtstoffrohr 4. In dessen Innern und konzentrisch
zu diesem befindet sich das innere Leichtstoffrohr 6 für die zweite Leichtfraktion 5. Es
enthält eine Einlauföffnung 7, aus der die im Hydrozyklon aufkonzentrierten
Leichtstoffe oder Luft abgeführt werden können. Im Bereich der Einlauföffnung 7
verjüngt sich die Innenwand des äußeren Leichtstoffrohres 4 entweder, wie hier
gezeichnet, auf einer geraden Kontur (mit einem konstanten Konuswinkel α) oder auch
auf einer gewölbten Kontur. Dabei liegt die Einlauföffnung 7 im axialen Abstand a von
der engsten Stelle des sich verjüngenden Konusses entfernt. Es ist vorstellbar, dass die
Einlauföffnung 7 entweder ein gewisses Stück stromaufwärts oder ein gewisses Stück
stromabwärts von dieser engsten Stelle angeordnet ist (dazu s. auch Fig. 2).
Bei der Rückgewinnung der Strömungsenergie (Strömungsgeschwindigkeit) in
Druckenergie ist es hilfreich, den durch die Verjüngung relativ eng gewordenen
Querschnitt in ausreichender Entfernung von der Einlauföffnung 7 wieder zu erweitern.
Wie weit diese Möglichkeiten genutzt werden, hängt natürlich von den Abmessungen und
Strömungsmengen in diesem Bereich ab. Bekanntlich ist ein großer Anteil der Kosten,
die Hydrozyklone in der Papierindustrie verursachen, auf die Energiekosten
zurückzuführen.
Wie in der Fig. 2 dargestellt, kann durch einen Verstellmechanismus 8 die Position der
Einlauföffnung 7 axial veränderbar gestaltet werden. Gerade diese Verstellung kann in
Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Hydrozyklons noch zu
weiteren Vorteilen führen. Es kann nämlich vorkommen, dass sich die
Rotationsströmung an axial verschiedenen Stellen auch verschieden ausbildet. Da es aber
bei der Trennung der beiden Leichtfraktionen darauf ankommt, den Bereich zu finden, in
dem eine optimale Aufkonzentration der Luftblasen oder der Leichtstoffe erfolgt ist,
kann eben diese Verstellung zur Optimierung des Apparates herangezogen werden. Der
Verstellmechanismus 9 ist nicht im Detail gezeichnet, da sich eine solche Aufgabe sehr
einfach lösen lässt. Z. B. kann das innere Leichtstoffrohr 6 eingeschraubt sein und durch
Kontermuttern gesichert werden. Die Verdrehung als solche spielt bei diesem Rohr
keine Rolle, da es rotationssymmetrisch ist. Dieses Beispiel zeigt auch eine Variante,
bei der die Einlauföffnung 7 oberhalb der engsten Stelle 8 der konischen Verjüngung
liegt.
Die Länge c der konischen Verjüngung ist in dieser Fig. 2 ebenfalls angegeben. Sie
kann, um die optimale Wirkung erzielen zu können, im Bereich zwischen 20 mm und
150 mm gewählt werden.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit, den Abscheideeffekt zu verbessern, indem
Rillen 10 in die konische Innenwand des äußeren Leichtstoffrohres 4 eingebracht sind.
Diese haben eine schraubenlinienförmige Form und können dadurch die Axialbewegung
der Strömung - zumindest teilweise - in eine Rotationsbewegung umwandeln.
Wird der Hydrozyklon zur Entlüftung und zur Schwerteilabscheidung verwendet, führen
die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht nur zu einer Verbesserung der Entlüftung
sondern auch der Schwerteilabscheidung. Dadurch, dass der obere Bereich eine stabile
Wirbelströmung hat, wird auch der gesamte Hydrozyklon ruhiger, d. h. stochastische
Schwankungen werden deutlich reduziert oder ganz verhindert.
In den Fig. 1 bis 3 befindet sich die Einlauföffnung 7 des inneren Leichtstoffrohres
6 jeweils axial innerhalb des vom Hydrozyklon gebildeten Volumens, also innerhalb des
Gehäuses. Das ist in der Regel auch die günstigste Bauart wegen der Kompaktheit,
Herstellungskosten und kurzen Strömungswege (Energieersparnis). Falls aus speziellen
Gründen diese Art verlassen und die Einlauföffnung außerhalb des Volumens gelegt wird,
sollte der Abstand b von diesem nicht zu groß, vorzugsweise unter 50 mm gewählt
werden (s. Fig. 4).
Bei dem in Fig. 5 gezeigten - liegenden - Hydrozyklon werden alle drei Fraktionen auf
derselben Axialseite abgezogen. Die am Außenrand abgeleitete Schwerfraktion 11 ist
hier der gereinigte Gutstoff. Die zwei Leichtfraktionen 3 und 5 dienen der Entfernung
von Leichtteilen (Leichtfraktion 3) und Luft (Leichtfraktion 5). In diesem speziellen
Fall wird die Flüssigkeit 1 also nicht von Schwerteilen gereinigt.
Claims (13)
1. Hydrozyklon zur Bildung von mindestens drei Fraktionen, vorzugsweise zwei
Leichtfraktionen (3, 5) und einer Schwerfraktion (11), wobei für die
Leichtfraktionen (3, 5) auf derselben Axialseite des Hydrozyklons zwei
Leichtstoffrohre, und zwar ein äußeres Leichtstoffrohr (4) sowie ein inneres
Leichtstoffrohr (6) innerhalb des äußeren Leichtstoffrohres (4) vorhanden sind,
wobei das äußere Leichtstoffrohr (4) eine Innenwand aufweist, die sich, in
Strömungsrichtung gesehen, in dem Bereich konisch verjüngt, in dem sich die
Einlauföffnung (7) des inneren Leichtstoffrohres (6) befindet,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Innenwand des äußeren Leichtstoffrohres (4) stromabwärts der
Einlauföffnung (7) in das innere Leichtstoffrohr (6) wieder konisch erweitert.
2. Hydrozyklon nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der axiale Abstand (a) zwischen der Einlauföffnung (7) und der engsten Stelle
(8) der konischen Verjüngung höchstens 50 mm beträgt.
3. Hydrozyklon nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Einlauföffnung (7) des inneren Leichtstoffrohres (6) axial
innerhalb des vom Hydrozyklon eingenommenen Volumens befindet.
4. Hydrozyklon nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Einlauföffnung (7) des inneren Leichtstoffrohres (6) in einem
axialen Abstand (b) von höchstens 50 mm außerhalb des vom Hydrozyklon
eingenommenen Volumens befindet.
5. Hydrozyklon nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Konuswinkel (α), den die konische Kontur zur Mittellinie einnimmt, in
einem Bereich zwischen 10° und 45° liegt.
6. Hydrozyklon nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die axiale Länge (c) der konischen Verjüngung zwischen 20 mm und 150 mm,
vorzugsweise 30 mm bis 80 mm beträgt.
7. Hydrozyklon nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere Leichtstoffrohr (6) axial verstellbar ist, so dass die
Einlauföffnung (7) innerhalb des äußeren Leichtstoffrohres (4) positionierbar
ist.
8. Hydrozyklon nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Einlaufrohr (2) für die zu behandelnde Flüssigkeit an der Axialseite
angebracht ist, an der sich die Leichtstoffrohre befinden.
9. Hydrozyklon nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der dem Einlaufrohr (2) gegenüber liegenden Axialseite eine Einrichtung
zur Ableitung von Schwerteilen aus dem Hydrozyklon vorhanden ist.
10. Hydrozyklon nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hydrozyklon einen Abscheidekonus aufweist, der zur Einrichtung zur
Ableitung der Schwerteile hinführt.
11. Hydrozyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Einlaufrohr (2) für die zu behandelnde Flüssigkeit an der Axialseite des
Hydrozyklons angebracht ist, die der mit mindestens zwei Leichtstoffrohren
gegenüber liegt.
12. Hydrozyklon nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich der konischen Verjüngung schraubenlinienförmige Rillen (10)
angebracht sind, wodurch die Axialgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch
Umlenkung zu einer Drallverstärkung nutzbar wird.
13. Verwendung des Hydrozyklons nach einem der voranstehenden Ansprüche
für die Reinigung einer Papierfasersuspension mit einem Faserstoffgehalt
zwischen 0,5 und 4% in einer Papier- oder Zellstofffabrik.
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