DE102004035207B4

DE102004035207B4 - Filtrationsvorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102004035207B4
Application number: DE102004035207A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl.-Ing. Mackel
Original assignee: GEA Westfalia Separator GmbH
Current assignee: GEA Mechanical Equipment GmbH
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: FR2876046B1; NL1029524A1; NL1029524C2; DE102004035207A1; FR2876046A1

Abstract

Filtrationsvorrichtung (1) für ein fließfähiges Filtrationsgut, mit einem Behälter (2) mit einem Zulauf, in dem wenigstens eine Hohlspindel (8) angeordnet ist, auf welche axial zueinander versetzte mehrschichtige, innen hohle Membranteller (11), aufgesetzt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Behälter (2) eine hydrozyklonartige Formgebung mit einem zylindrischen Abschnitt (3) und einen sich verjüngenden, konischen Abschnitt (5) aufweist, welcher in einen Auslaß (6) für eine Feststoffphase mündet, wobei die Membranteller (11) nur im zylindrischen Abschnitt (3) des Behälters (2) angeordnet sind,
– im Behälter (2) mindestens zwei der mit den Membranteller (11) versehenen Hohlspindeln (8) derart verteilt sind, dass sich die Membranteller (11) benachbarter Hohlspindeln (8) nicht überlappen,
– eine Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter (2) vorgesehen ist, und
– die angetriebenen Hohlspindeln (8) relativ zum Behälter (2) mit veränderlicher Drehzahl drehbar sind, so dass im Betrieb lokale Zentrifugalfelder im Bereich um die...

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtrationsvorrichtung für ein fließfähiges Filtrationsgut nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Zum Stand der Technik werden die US 2 538 575 A , die DE 29 16 328 A1 , die DE 100 27 958 A1 , die JP 04071652 A (Abstract), die US 6 739 456 B2 und die DE 23 57 775 A1 genannt. Die US 6 739 456 B2 zeigt einen hydrozyklonartigen Behälter, in den ein Tellerpaket gesetzt ist und mit dem leichte und schwerere Teile in einem gasförmigen Stoff mittels eines BLMT-Verfahrens (boundary layer momentum transfer) voneinander getrennt werden sollen.
Filtrationsvorrichtungen gattungsgemäßer Art sind an sich bekannt, z. B. aus dem Gebiet der Separatoren, wo es bekannt ist, auf das Zulaufrohr axial zueinander versetzte Membranteller aufzusetzen ( DE 100 27 958 A1 ). Die hier offenbarte Vorrichtung hat sich an sich gut bewährt. Es besteht aber dennoch der Bedarf nach einer Filtrationsvorrichtung mit Filterscheiben, insbesondere Membrantellern, welche eine gute Filtrationswirkung bei besonders einfachem konstruktivem Aufbau und vorzugsweise geringem Energieverbrauch ermöglicht.
Die Realisierung einer derartigen Filtrationsvorrichtung ist die Aufgabe der Erfindung.
Die Erfindung löst diese Aufgabe in Hinsicht auf die Vorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und in Hinsicht auf das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 11.
Danach weist der Behälter einen zylindrischen Abschnitt und einen sich verjüngenden, konischen Abschnitt auf, welcher in einen Auslaß für eine Feststoffphase mündet, wobei die Membranteller nur im zylindrischen Abschnitt des Behälters angeordnet sind, und im Behälter sind mindestens zwei der mit den Membrantellern versehenen Hohlspindeln derart verteilt, dass sich die Membranteller benachbarter Hohlspindeln nicht überlappen. Die Hohlspindeln sind ergänzend relativ zum Behälter mit veränderlicher Drehzahl drehbar ausgelegt, derart, dass im Betrieb lokale Zentrifugalfelder im Bereich um die Hohlspindeln erzeugbar sind und es ist eine Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter vorgesehen, so dass sich ein übergeordnetes Zentrifugalfeld im Behälter und lokale Zentrifugalfelder in den hohlen Membrantellem überlagern.
Die Membranteller bestehen dabei vorzugsweise aus Keramik und weisen einen zweischichtigen Aufbau auf, wobei zwischen den beiden oberen und unteren Keramikschichten ein Ringraum ausgebildet ist, welcher nach innen hin in in den Hohlspindeln verlaufende Ableitungskanäle mündet.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und einen geringen Energiebedarf bei guter Filtrationswirkung aus.
Ein Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, dass eine Rotation der Flüssigkeit im Behälter erzeugt wird, so dass sich eine Art zentrales, übergeordnetes Zentrifugalfeld ergibt, das zu einen Rückspüleffekt führt. Die sich im Betrieb mit den Hohlspindeln drehenden Membranteller bzw. -scheiben in hohler Ausgestaltung bilden dabei selbst eigene lokale Zentrifugalfelder aus, die insbesondere innerhalb der hohlen Membranteller bzw. deren Ringräume auftreten.
Im übergeordneten Zentrifugalfeld ergeben sich aufgrund der Rotation der Flüssigkeit mit zunehmendem Radius größere Drücke, so dass weiter außen im Behälter ein relativ hoher Druck durch das äußere Zentrifugalfeld hervorgerufen wird und weiter innen zur Mittelachse des Behälters hin niedrigere Drücke herrschen.
Ein analoger Effekt kann durch Rührelemente in einem vorzugsweise, aber nicht zwingend stationären Behälter und/oder eine hohe Zulaufgeschwindigkeit in tangentialer Richtung hervorgerufen werden.
Zweckmäßig weist daher die Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter einen Drehantrieb für den Behälter und/oder eine Rühreinrichtung für das Schleudergut im Behälter auf und/oder die Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter ist als tangentialer Zulauf in einen zylindrischen Abschnitt des Behälter ausgebildet. Wesentlich ist, dass ein genügendes übergeordnetes Zentrifugalfeld erzeugt wird.
Erzeugbar sind derart sowohl eine sehr hohe Rückfluss- bzw. Backpulsefrequenz als auch ein stoßfreier schonender Rückfluss bzw. Backpulse. Vorteilhaft ist auch die sich durch das äußere Zentrifugalfeld ergebende verbesserte Abfuhr von abgetrennte Partikelkollektiven von den Membranflächen weg.
Dabei lässt sich die Konstruktion bei hoher Funktionssicherheit und guter Trennwirkung konstruktiv einfach realisieren.
Die Durchflussmengen und die Durchflussrichtung variieren synchron mit jedem Scheibenumlauf und sind einfachst über die Drehzahl der lokalen Zentrifugalfelder und des übergeordneten Zentrifugalfeldes einstellbar.
Das Zentrifugalfeld innerhalb der Membranscheiben kann dabei z. B. optional oder alternativ einfach über die Hohlspindeldrehzahlen eingestellt werden.
Erfindungsgemäß weist der Behälter eine hydrozyklonartige Formgebung mit einem oberen zylindrischen Abschnitt und einem unteren, sich verjüngenden, konischen Abschnitt auf, welcher in einen Auslaß für eine Feststoffphase mündet.
Der Konizitätswinkel ist derart gewählt, dass der Feststoff aufgrund der Schwerkraft – unterstützt durch eine Art Hydrozyklonwirkung, bei dem sich abgeschiedene Feststoffe an der Konusspitze ablagern und durch den Auslaß ggf. auch düsenartig ausgetragen werden – nach unten hin aus dem Behälter (bzw. der Trommel) hinausrutscht.
Die Symmetrie- und vorzugsweise auch Drehachse des Behälters ist insbesondere senkrecht ausgerichtet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung;
2 einen zu 1 senkrechten Schnitt durch die Filtrationsvorrichtung der 1, der durch zwei der Spindeln gelegt ist; und
3 eine schematische Seitenansicht eines Teils eines Membrantellers zur Veranschaulichung der Funktion.
1 und 2 zeigen eine Filtrationsvorrichtung 1 mit einem nach 2 nicht drehbaren Behälter 2, welcher eine hydrozyklonartige Formgebung aufweist. An einen zylindrischen Abschnitt 3 des Behälters 2 mit hier senkrecht bzw. vertikal ausgerichteter Mittelachse M und mit einem tangential ausgerichteten Zulauf 4 schließt sich nach unten hin ein sich verjüngender, konischer Abschnitt 5 an, der nach unten hin in einen Auslaß 6 mündet.
Durch den tangentialen Zulauf 4 kann bei genügender Produktzulaufgeschwindigkeit auf einen motorischen Antrieb des Behälters verzichtet werden. Zur Unterstützung der Drehbewegung der Flüssigkeit kann aber alternativ oder optional auch ein Antrieb mit einem Motor mit Riemengetriebe genutzt werden, um den Behälter in Drehungen zu versetzen (hier nicht dargestellt).
Der Behälter 2 bzw. dessen zylindrischer Abschnitt 3 ist an seiner Oberseite mit einer Art Deckel verschlossen, welcher zugleich als Lagergehäuse 7 für mehrere motorisch angetriebene (hier nicht dargestellt) Hohlspindeln 8 dient, welche jeweils von oben her in den Behälter 2 hineinragen und die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Hohlspindeln 8 ragen hier bis zum Beginn des konischen Abschnitts 5 in den Behälter 2 hinein. Sie sind beispielhaft jeweils mittels zwei Lager 9 in Bohrungen 10 des Lagergehäuses 7 drehbar nach Art einer fliegenden Lagerung gelagert. Die fliegende Lagerung der hier vorteilhaft vertikal ausgerichteten Hohlspindeln 8 bietet den Vorteil eines besonders sanitären Produktraums im Behälter 2 und den weiteren Vorteil eines reduzierten Bauteil- und Dichtungsaufwandes. Falls notwendig, kann eine Art Siebblech 17 am vom Lagergehäuse 7 abgewandten Ende zur Abstützung und Reibungsdämpfung der Hohlspindeln 8 eingesetzt werden, welches die Hohlspindeln 8 durchsetzen. Diese Maßnahme wirkt sich insbesondere beim Durchfahren der kritischen Drehzahl positiv aus.
Die Lager 9 sind durch Leckageabläufe 16 vor einem Produktüberlauf geschützt.
Auf jeder der hier drei Hohlspindeln 8 sind in deren in den Behälter 2 ragenden Bereich wenigstens zwei oder mehr (beispielsweise über zehn) bzw. bevorzugt eine Vielzahl von Membrantellern 11 angeordnet, welcher hier rund ausgebildet sind und welche konzentrisch zu den motorisch angetriebenen Hohlspindeln 8 ausgerichtet sind.
Die Membranteller 11 bestehen bevorzugt aus einer Keramik. Sie weisen ferner bevorzugt den in 3 zu erkennenden zweischichtigen Aufbau auf, wobei zwischen den beiden oberen und unteren Keramikschichten 18, 19 ein Hohl- oder Ringraum 20 ausgebildet ist, welcher jeweils nach innen zu den Hohlspindeln 8 hin in jeweils mindestens einen Kanal 12 mündet, welche wiederum jeweils in senkrecht in den Hohlspindeln nach oben mündende Ableitungskanäle 13 führen, die wiederum an ihren oberen Enden in einen gemeinsamen (Ring-)Ableitungsbohrung 14 im Lagergehäuse 6 münden, der mit einem Auslaß 15 zur Ableitung von Flüssigkeit aus der Filtrationsvorrichtung versehen ist.
Nach der Konstruktionen der 1 und 2 ist der Durchmesser der Membranteller 11 jeweils so groß gewählt, dass sich die Membranteller 11 benachbarter Hohlspindeln 8 in ihrem Außenumfangsbereich nicht überlappen.
Diese Anordnung hat folgende Funktion:
Durch den tangentialen Zulauf 4 wird ein fließfähiges Filtrationsgut in die Filtrationsvorrichtung 1 bzw. in deren Behälter 2 geleitet, welches im Behälter rotiert. Durch die hydrozyklonartige Formgebung wird eine Vorabscheidung erreicht, die zu einer minimierten Feststoffbeaufschlagung der Membran führt.
An den Membranscheiben 11 der elektromotorisch oder mittels einer Hydraulik (z. B. oberhalb des Behälters) gedrehten Hohlspindeln 8 werden weitere Feststoffe aus dem Filtrationsgut abschieden. Die filtrierte Flüssigkeitsphase tritt durch die Membranen der Membranteller 11 in deren Ringraum und von dort durch die Kanäle 12 sowie durch die Ableitungskanäle 13 und die Ableitungsbohrung 14 und den Auslaß 15 nach außen. Der von den Membranflächen der Membranteller 11 zurückgehaltene Feststoff wird durch den Wirbel nach außen, weg von der Membran geschleudert und dann nach unten durch den Auslaß 6 abgeleitet.
Wie bereits ausgeführt, überlappen sich die Membranteller 11 der drei angetriebenen Hohlspindeln 8 nicht. Die drei angetriebenen Hohlspindeln 8 sind auf einem Kreis mit einem Radius r₁ gleichmäßig verteilt, wobei ihr Radius kleiner ist als der Radius R_B des Behälters 2.
Der Behälter 2 ist dabei vorzugsweise selbst drehbar bzw. rotierend ausgebildet.
Das übergeordnete zentrale Zentrifugalfeld im Behälter der 1 lässt sich durch

– Drehungen des Behälters 2 mit veränderlicher Drehzahl und/oder
– veränderlich einstellbare Rührelemente (nicht dargestellt) und/oder
– den tangentialen Zulauf 4

Lokale Zentrifugalfelder werden durch die Drehungen der Hohlspindeln 8 mit den hohlen Membrantellern 11 erzeugt.
Der kombinierte Effekt dieser beiden Felder führt zu einer besonders guten Filtrations- und Reinigungswirkung bei niedrigem konstruktiven Aufwand.
Im Behälter 2 wird ein übergeordnetes Zentrifugalfeld hervorgerufen, in dem der Druck P1 im äußeren Bereich einen Maximalwert erreicht und der nach innen hin abnimmt, bis er in der Mitte bzw. Drehachse bei Null liegt. Diesem übergeordneten Zentrifugalfeld sind dann die lokalen Zentrifugalfelder innerhalb der Membranteller 11 überlagert. Betrachtet man einen Punkt P innerhalb der Membranteller 11, stellt man fest, dass die Druckdifferenz zwischen der äußeren Umgebung und dem Inneren der Membranteller 11 variiert. Ist die betrachtete Stelle im radial äußeren Bereich des Behälters 2, wirkt ein hoher Außendruck P1 auf die Scheibe, der einen entsprechenden Durchfluss in die Scheibe bewirkt.
Nach einer halben Scheibenumdrehung befindet sich der betrachtet Membrantellerpunkt dagegen im radial weiter innen liegenden Bereich des Behälters 2. Hier ist der Umgebungsdruck der Scheibe P1' niedrig, während im Inneren der Scheibe der Druck (P2, P2) gleich geblieben ist, so dass sich jetzt eine umgekehrte Durchströmung der Membranteller 11 (Rückfluss bzw. Backpulse) ergibt.
Mit „+" werden in 1 Bereiche höheren Drucks und mit „–„ Bereiche niedrigeren Drucks bezeichnet.
Es werden also die lokalen Zentrifugalfelder innerhalb der Membranteller 11 und das übergeordnete Zentrifugalfeld innerhalb des Behälters 2 jedenfalls zeitweise derart aufeinander abgestimmt, dass der Druck innerhalb der Membranteller 11 derart ist, dass dann, wenn sie sich durch den radial weiter äußeren Bereich (zum Beispiel außerhalb der Radien r1, auf denen die Mittelpunkte der Membranteller 11 liegen) des Behälters 2 drehen, im äußeren Bereich Schleudergut in die Membranteller 11 hineinströmt und dann, wenn sie sich durch den inneren Bereich des Behälters 2 drehen, wieder ein Teil der Flüssigkeit aus den Membranteller 11 in den Behälter 2 zurückströmt. Diese Betriebsart soll 3 veranschaulichen. Erzeugbar sind derart sowohl eine sehr hohe Rückfluss bzw. Backpulsefrequenz als auch ein stoßfreier schonender Rückfluss bzw. Backpulse. Der Reinigungseffekt der Membranteller 11 während dieser zumindest zeitweise eingestellten Betriebsart macht optionale Reinigungsvorgänge mit einem kompletten Stopp der zentrifugalen Filtrationsvorrichtung nur noch selten erforderlich.

1: Filtrationsvorrichtung
2: Behälter
3: zylindrischer Abschnitt
4: tangentialer Zulauf
5: konischer Abschnitt
6: Auslaß
7: Lagergehäuse
8: Hohlspindeln
9: Lager
10: Bohrungen
11: Membranteller
12: Kanal
13: Ableitungskanäle
14: Ableitungsbohrung
15: Auslaß
16: Leckageabläufe
17: Siebblech
18, 19: Keramikschichten
20: Hohlraum
M: Mittelachse
a: Abstand
b: Breite

Claims

Filtrationsvorrichtung (1) für ein fließfähiges Filtrationsgut, mit einem Behälter (2) mit einem Zulauf, in dem wenigstens eine Hohlspindel (8) angeordnet ist, auf welche axial zueinander versetzte mehrschichtige, innen hohle Membranteller (11), aufgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Behälter (2) eine hydrozyklonartige Formgebung mit einem zylindrischen Abschnitt (3) und einen sich verjüngenden, konischen Abschnitt (5) aufweist, welcher in einen Auslaß (6) für eine Feststoffphase mündet, wobei die Membranteller (11) nur im zylindrischen Abschnitt (3) des Behälters (2) angeordnet sind, – im Behälter (2) mindestens zwei der mit den Membranteller (11) versehenen Hohlspindeln (8) derart verteilt sind, dass sich die Membranteller (11) benachbarter Hohlspindeln (8) nicht überlappen, – eine Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter (2) vorgesehen ist, und – die angetriebenen Hohlspindeln (8) relativ zum Behälter (2) mit veränderlicher Drehzahl drehbar sind, so dass im Betrieb lokale Zentrifugalfelder im Bereich um die Hohlspindeln (8) erzeugbar sind, derart, dass die lokalen Zentrifugalfelder innerhalb der hohlen Membranteller (11) und das übergeordnete Zentrifugalfeld innerhalb des Behälters (2) jedenfalls zeitweise derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Druck innerhalb der Membranteller (11) derart ist, dass dann, wenn sich die Membranteller (11) durch den radial äußeren Bereich des Behälters (2) drehen, im äußeren Bereich Schleudergut in die Membranteller (11) hineinströmt und dann, wenn sie sich durch den radial weiter inneren Bereich des Behälters (2) drehen, ein Teil der Flüssigkeit aus den Membrantellern (11) in den Behälter (2) zurückströmt.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranteller (11) aus Keramik bestehen und einen mehr-, insbesondere zweischichtigen Aufbau aufweisen, wobei zwischen den beiden oberen und unteren Keramikschichten ein Ringraum (20) ausgebildet ist, welcher nach innen hin in in den Hohlspindeln (8) verlaufende Ableitungskanäle (13) mündet.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter (2) einen Drehantrieb für den Behälter (2) aufweist.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter (2) eine Rühreinrichtung für das Schleudergut im Behälter (2) aufweist.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung einer übergeordneten zentrifugalen Strömung im Behälter (2) als tangentialer Zulauf (4) in den zylindrischen Abschnitt (3) des Behälters (2) ausgebildet ist.
Filtrationsvorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Hohlspindeln (8) vorhanden sind, die gleichmäßig auf einem Kreis mit einem Radius „r1" im Behälter (2) verteilt sind.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der einzelnen Membranteller (11) kleiner ist als der Radius des Behälters (2) im zylindrischen Abschnitt (3).
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlspindeln (8) vertikal ausgerichtet sind.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Hohlspindel (8) eine Vielzahl der Membranteller (11) angeordnet ist.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) mit einem Deckel verschlossen ist, welcher zugleich als Lagergehäuse (7) für die Hohlspindeln (8) dient, welche parallel zueinander jeweils von oben her in den Behälter (2) hineinragen.
Verfahren zum Betreiben einer Filtrationsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Behälter (2) ein übergeordnetes Zentrifugalfeld erzeugt wird und lokal im Bereich der einzelnen Hohlspindeln (8) und deren Membranteller (11) lokale Zentrifugalfelder erzeugt werden, wobei die lokalen Zentrifugalfelder innerhalb der hohlen Membranteller (11) und das übergeordnete Zentrifugalfeld innerhalb des Behälters (2) jedenfalls zeitweise derart aufeinander abgestimmt werden, dass der Druck innerhalb der Membranteller (11) derart ist, dass dann, wenn sich die Membranteller (11) durch den radial äußeren Bereich des Behälters (2) drehen, im äußeren Bereich Schleudergut in die Membranteller (11) hineinströmt und dann, wenn sie sich durch den radial weiter inneren Bereich des Behälters (2) drehen, ein Teil der Flüssigkeit aus den Membrantellern (11) in den Behälter (2) zurückströmt.