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- Die Erfindung betrifft einen neuartigen Aufbau von Zentrifugen.
Dieser neuartige Aufbau arbeitet nach einem ebenfalls neuartigen
Verfahren zum Entleeren von Zentrifugen, welches das Entleeren und
Reinigen bei laufender Zentrifuge ermöglicht.
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Die
in der Zentrifugentechnik verwendeten Vollmantelzentrifugen dienen
der mechanischen Klärung
und Trennung von Gemischen aus Flüssigkeiten und Feststoffen.
Die Trennung basiert auf der Sedimentation einer in einer flüssigen Phase
dispergierten festen Phase.
Bei Ringkammerzentrifugen und Röhrenseparatoren in
Vollmantelausführung
ist es Stand der Technik, nach dem Auffüllen der Schlammräume mit
Sedimenten den Separator abzuschalten, ihn zu zerlegen und zu reinigen.
Aufgrund der technischen Ausführung
als Vollmantelzentrifuge entzieht sich der Raum, welcher die Sedimente
aufnimmt einer Reinigung bei laufendem Betrieb.
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Die
in [0001] beschriebene Vorgehensweise ist kostenintensiv, da durch
das Stillsetzen und Zerlegen der Separatoren Ausfälle in der
Produktion und Arbeitskosten entstehen. In einschlägiger Fachliteratur
(INDUSTRIE – ZENTRIFUGEN
von Werner H. Stahl, Band 2, erschienen bei DrM Press, ab Seite 726)
wird diese Eigenschaft einiger Separatoren in Vollmantelausführung nach
wie vor als gravierender Mangel angeführt. Der aus obig genannten
Gründen resultierende
Ausfall der Produktionsanlage führt
dazu, dass die in [0001] beschriebenen Zentrifugen nur im Chargenbetrieb
als Klärwerkzeug
einsetzbar sind und ihre vorteilhaften Eigenschaften beispielsweise in
der Feinstklärung
oder beispielsweise in der Möglichkeit
einer gekühlten
Ausführung
bei Ringkammerzentrifugen aufgrunddessen oft ungenutzt bleiben.
Soll
das Abtrennen der Feststoffe vollkontinuierlich (d.h. Klären und
Abscheiden/Leeren finden parallel statt) oder quasi-kontinuierlich
(d.h. die Zentrifuge läuft
permanent und wird zwischen dem Klären und Abscheiden/Leeren nicht
abgeschaltet) erfolgen, bleibt dem Betreiber nur die Möglichkeit
auf spezielle Tellerseparatoren auszuweichen, deren doppeltkonisch
geneigter Schlammraum die Möglichkeit
bietet die Sedimente über
Ventile, Ringöffnungen
oder Düsen
abzulassen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, einen Tellerseparator
mit einer Förderschnecke auszustatten,
um die Sedimente kontinuierlich auszutragen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Entleervorgang
für Separatoren
in Vollmantelbauweise bedienfreundlicher und den Produktionsablauf
somit effizienter zu gestalten. Darüber hinaus soll die Aufgabe
auf eine technisch einfache Weise gelöst werden. Um dieses Ziel zu
erreichen, soll das Öffnen
des Zentrifugenkorbes, das Stillsetzten der Maschine und das manuelle
Entleeren der Schlammräume
umgangen werden, wobei gängige
technisch komplexe Mechanismen wie Förderschnecken oder Ventile,
Ringöffnungen
und Düsen
im Zentrifugenmantel vermieden werden sollen. Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Zentrifugentrommel auf eine Weise aufgebaut wird, welche
es ermöglicht
die in den Schlammräumen
sedimentierte feste Phase mit der anliegenden flüssigen Phase zu Durchmischen
und aus der Zentrifugentrommel herauszuspülen. Somit wird die Erfindung
sowohl durch einen neuartigen Aufbau der Zentrifuge, als auch durch
ein zugehöriges
neuartiges Verfahren gekennzeichnet.
Im weiteren Text
werden die in [0001 und 0002] erwähnten Schlammräume der
Zentrifugen mit dem Begriff Dispersionsvolumen beschrieben.
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Im
Folgenden wird der neuartige Aufbau einer Ringkammerzentrifuge als
erste vorteilhafte Variante der Erfindung beschrieben. Wie im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 beschrieben darf sich die Zentrifugentrommel
der Ringkammerzentrifuge nicht wie üblich aus einer Summe fest
zueinander verbauter Teile zusammensetzten, sondern sie besteht
aus zueinander beweglich gelagerten Trommelkomponenten. Die Zentrifugentrommel
setzt sich aus einem äußeren Zentrifugenkörper (1)
und einem inneren Zentrifugenkörper
(2) zusammen, wobei der äußere Zentrifugenkörper (1)
und der innere Zentrifugenkörper
(2) über
ein Lager (7) beweglich zueinander gelagert sind. Das Lager
(7) lässt
nur eine Rotation um die Rotationsachse der Antriebsachse zu.
Der
innere und der äußere Zentrifugenkörper weisen jeweils
zwei mantelförmige
Scheidewände
(30, 31, 32, 33) auf, welche
eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen und somit zueinander konzentrisch
stehen. Die Mantelflächen
des äußeren Zentrifugenkörpers (1)
und des inneren Zentrifugenkörpers
(2) stehen im montierten Zustand ebenfalls konzentrisch zueinander.
Wird nun der innere Zentrifugenkörper (2) über das
Lager (7) im äußeren Zentrifugenkörper (1)
montiert, so ergibt sich aus ihrer Geometrie der bekannte Aufbau
einer Ringkammerzentrifuge, bei welchem der Volumenstrom während des
Betriebs mäanderförmig durch
den Zentrifugenkorb geleitet wird. Somit werden die Dispersionsvolumen
(20, 21, 22, 23, 24)
der Zentrifugentrommel jeweils von einer Scheidewand des inneren
(30, 31) und einer Scheidewand des äußeren (32, 33)
Zentrifugenkörpers
begrenzt. Allerdings sind äußerer (1)
und innerer (2) Zentrifugenkörper mittels des Lagers (7)
beweglich zueinander gelagert. Gemäß Anspruch 2 weisen der äußeren Zentrifugenkörper (1)
und der innere Zentrifugenkörper
(2) eine gemeinsame Rotationsachse auf, welche hier mit
der Rotationsachse des Antriebs (4) zusammenfällt.
Im
folgenden Text soll der reguläre
Zentrifugenbetrieb, während
welchem die Sedimentation der festen Phase in den Dispersionsvolumen
erfolgt, mit Sedimentationsphase bezeichnet werden, und eine weitere
Betriebsart der Zentrifuge, während
welcher die Sedimente mit der anliegenden flüssigen Phase durchmischt werden,
soll als Dispersionsphase bezeichnet werden. Des Weiteren wird das
Herrauspülen
der in der Dispersionsphase redispergierten Feststoffe mit dem Begriff
Spülintervall
bezeichnet werden.
Während
der Sedimentationsphase werden der äußere Zentrifugenkörper (1)
und der innere Zentrifugenkörper
(2) vom Antrieb (4) mit der Betriebsdrehzahl (3000
l/min bis 6000 l/min) um ihre gemeinsame Achse rotiert. Der äußere Zentrifugenkörper (1)
wird vom Antrieb (4) angetrieben und der innere Zentrifugenkörper (2)
läuft mit
derselben Drehzahl mit. Eine Kupplung zwischen den beiden Zentrifugenkörpern ist
nicht zwingend nötig,
da der innere Zentrifugenkörper
praktisch frei von tangentialen Kräften ist, d.h. er erfährt während der
Sedimentationsphase keine signifikanten Momente, solange die Drehzahl
des Antriebs (4) konstant bleibt. Wenn der innere Zentrifugenkörper (2)
zum äußeren Zentrifugenkörper (1) eine
Drehzahldifferenz aufweist (beispielsweise beim Anfahren der Zentrifuge),
so wirken dieser, vergleichbar den Vorgängen in einer hydrodynamischen Kupplung,
Kräfte
entgegen, welche durch die Relativgeschwindigkeit in der Zentrifugendurchströmung induziert
werden. Somit ist sicher gestellt, dass der innere Zentrifugenkörper (2)
mit dem äußeren Zentrifugenkörper (1)
während
der Sedimentationsphase solange synchron läuft, wie die Zentrifuge mit
konstanter Drehzahl betrieben wird.
Sind die Dispersionsvolumen
(20, 21, 22, 23, 24)
mit sedimentiertem Feststoff gefüllt,
so wird in der Dispersionsphase die Drehzahl des inneren Zentrifugenkörpers (2)
relativ zum Maschinensockel (5) soweit wie möglich verringert,
sinnvollerweise auf mehr als die Hälfte der Betriebsdrehzahl,
während
der äußere Zentrifugenkörper (1)
mit der Drehzahl des Antriebs (4) weiterrotiert. Aus der
Relativgeschwindigkeit zwischen äußerem Zentrifugenkörper (1)
und innerem Zentrifugenkörper
(2) resultieren turbulente Mischvorgänge, welche die Durchmischung
der festen Phase mit der anliegenden flüssigen Phase bewirkt. Dadurch,
dass die feste Phase anschließend
in Dispersion mit der flüssigen
Phase vorliegt, unterliegt sie wieder den Transporteinflüssen der
flüssigen
Phase und kann während
des Spülintervalls über den
Volumenstrom der flüssigen
Phase aus der Zentrifugentrommel ausgetragen werden.
Die
Zentrifuge wird nun so betrieben, dass Sedimentationsphase und Dispersionsphase
alternierend im Wechsel aufeinander folgen. Der Austrag der in der flüssigen Phase
dispergierten festen Phase geschieht während des zeitlich definierten
Spülintervalls
am Ende der Dispersionsphase, während
welchem eine erneute Sedimentation durch Aufrechterhaltung der Turbulenz
vermieden werden kann. Der Volumenstrom wird während des Spülintervalls
erhöht,
um die redispergierte feste Phase schnell aus der Zentrifugentrommel
auszutragen. Das Spülintervall
wird sinnvollerweise mit einem Mehrwege-Ventil gekoppelt, so dass
die ausgespülten
Sedimente am Auslass der Zentrifuge abgezweigt werden können.
Abhängig von
den physikalischen Eigenschaften der festen Phase ist in der Dispersionsphase
ein verschieden hoher Turbulenzgrad in den Dispersionsvolumen nötig, um
die Sedimente in der anliegenden flüssigen Phase zu redispergieren.
Gemäß dem kennzeichnenden
Teil in Anspruch 6 und 7 ist der Turbulenzgrad durch Anbringen der
in 2 dargestellten Turbulenzerzeuger und Turbulenzhilfen
(9, 10, 11, 12) beeinflussbar.
Das Anbringen der Turbulenzerzeuger und Turbulenzhilfen (9, 10, 11, 12)
bewirkt, dass die durch die Relativgeschwindigkeit des äußeren Zentrifugenkörpers (1)
bezüglich
des inneren Zentrifugenkörpers
(2) erzeugte Turbulenz gesteigert werden kann. Somit ist
es möglich
die Zentrifuge den physikalischen Eigenschaften der festen Phase
auf die Weise anzupassen, dass der korrekte Ablauf der Dispersionsphase
gewährleistet
werden kann.
Wenn gefordert, kann die Redispersion der sedimentierten
Phase während
der Dispersionsphase auch schonend verlaufen. Dies ist dann der
Fall, wenn die Sedimente ein benötigtes
Produkt im weitern Produktionsablauf darstellen. Die Parameter für eine definierte
und schonende Redispersion der Sedimente sind die Höhe der Relativgeschwindigkeiten
und die Ausgestaltung der Turbulenzerzeuger und Turbulenzhilfen
(9, 10, 11, 12).
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Das
zum Entleeren der Zentrifuge benötigte Verfahren
nach Anspruch 16 wird dadurch charakterisiert, dass die in einem
Dispersionsvolumen sedimentierte feste Phase durch Einbringen von
Turbulenzen in die Strömung
innerhalb der Dispersionsvolumen redispergiert wird, um anschließend im
dispergierten Zustand ausgetragen zu werden. Nach Anspruch 17 werden
die Turbulenzen, welche zur Durchmischung der sedimentierten festen
Phase mit der anliegenden flüssigen
Phase benötigt
werden, vorzugsweise dadurch erzeugt, dass mindestens ein erster
Zentrifugenkörper
zu mindestens einem zweiten Zentrifugenkörper innerhalb der Zentrifugentrommel
relativ zueinander bewegt werden.
Folgende Verfahrensschritte
kennzeichnen somit das Verfahren:
- [3]
Beginn der Sedimentationsphase. Alle Zentrifugenkörper (40, 42)
werden vom Antrieb mit derselben Drehzahl um ihre gemeinsame Rotationsachse
rotiert. Die Feststoffe sedimentieren an den der Rotationsachse
zugewandten Flächen.
- [4] Ende der Sedimentationsphase. Alle Zentrifugenkörper (40, 42)
rotieren mit derselben Geschwindigkeit. Die Dispersionsvolumen sind
gefüllt
und die Zentrifuge muss entleert werden.
- [5] Dispersionsphase. Der äußere Zentrifugenkörper (42)
rotiert mit der Antriebsdrehzahl, während der innere Zentrifugenkörper (40)
relativ zum Maschinensockel abgebremst wird. Die resultierenden
turbulenten Mischbewegungen in der flüssigen Phase führen dazu,
dass die Sedimente (46) redispergiert werden. Der Volumenstrom
wird bei Verfahrensschritt 3 gedrosselt oder abgeschalten.
- [6] Spülintervall
am Ende der Dispersionsphase. Die Drehzahlen von äußerem Zentrifugenkörper (42)
und innerem Zentrifugenkörper
(40) verhalten sich ähnlich
wie in Verfahrensschritt 3, allerdings ist darauf zu achten, dass
das Austragen der redispergierten Phase durch eine zu hohe eingeprägte Turbulenz
nicht gestört
wird. Der Volumenstrom wird in diesem Verfahrensschritt erhöht und spült die redispergierte
feste Phase aus der Zentrifugentrommel. Während diesem Verfahrensschritt
wird der aus der Zentrifugentrommel austretende Volumenstrom über ein
Mehrwege-Ventil ausgesteuert.
Abhängig vom Einsatzzweck der Zentrifugen
kann das beschriebene Verfahren anhand der folgenden Vorgehensweisen
gesteuert werden: - • Sedimentationsphase und Dispersionsphase
mit Spülintervall
wechseln alternierend abhängig
von der Zeit, was einen immer gleichen Zyklus zur Folge hat.
- • Sedimentationsphase
und Dispersionsphase mit Spülintervall
werden abhängig
vom Volumenstrom gesteuert, was bedeutet, dass die Dispersionsphase
und der Spülvorgang
nach einer definierten gefilterten Volumeneinheit eingeleitet werden.
- • Das
Einleiten der Dispersionsphase und des Spülintervalls kann auch von der
Resttrübung
der gefilterten Dispersion abhängig
gemacht werden. Die Resttrübung
ist ein Indikator für
die Füllung der
Dispersionsvolumen mit sedimentiertem Feststoff. Die Filterwirkung
der Zentrifuge nimmt bei einer übermäßigen Befüllung der
Dispersionsvolumen mit Sedimenten ab und die Resttrübung des
austretenden Volumenstromes nimmt zu.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung
der Erfindung ist die in 7 dargestellte Variante einer Zentrifuge
(50). Dargestellt ist eine Zentrifuge, welche wie die in
[0004] beschriebene Ringkammerzentrifuge nach dem in [0005] beschriebenen
Verfahren arbeitet. Diese Zentrifuge hat den Vorteil gegenüber der
Ringkammervariante aus [0004], dass innerer und äußerer Zentrifugenkörper technisch
gesehen noch einfacher gehalten sind und die Zentrifuge trotzdem
quasi-kontinuierlich
betrieben werden kann. Die Zentrifuge umfasst einen Antrieb (4),
eine Antriebswelle (3), einen Maschinensockel (5)
und einem Zentrifugenkorb, welcher wiederum einen äußeren Zentrifugenkörper (1)
und einen inneren Zentrifugenkörper
(2) beinhaltet. Der äußere und
der innere Zentrifugenkörper
sind durch das Lager (7) beweglich zueinander gelagert.
Das Lager (7) bewirkt, dass der äußere Zentrifugenkörper beweglich
zum inneren Zentrifugenkörper
gelagert ist. Die beiden Zentrifugenkörper sind so angeordnet, dass
das Dispersionsvolumen, in welchem während der Sedimentationsphase
die Feststoffe sedimentieren, jeweils von Teilen des inneren Zentrifugenköpers (2)
und äußeren Zentrifugenköpers (1)
begrenzt wird. Während der
Sedimentationsphase werden innerer und äußerer Zentrifugenkörper vom
Antrieb um eine gemeinsame Achse rotiert. In der dargestellten Ausführung fällt die
gemeinsame Rotationsachse mit der Rotationsachse der Antriebswelle
(3) zusammen. Während der
Dispersionsphase wird der innere Zentrifugenkörper relativ zum Maschinensockel
abgebremst. Somit resultiert zwischen dem äußeren Zentrifugenkörper und
dem inneren Zentrifugenkörper
eine Relativgeschwindigkeit, welche wiederum zu turbulenten Mischbewegungen
innerhalb der Dispersionsvolumen führt. Durch diese turbulenten
Mischbewegungen wird die in den Dispersionsvolumen sedimentierte
feste Phase mit der anliegenden flüssigen Phase durchmischt und
am Ende der Dispersionsphase liegen die Feststoffe in Dispersion
mit der anliegenden flüssigen
Phase vor und kann anschließend
während des
Spülintervalls über den
regulären
Volumenstrom aus der Zentrifuge ausgetragen werden, da sie wieder
den Transporteinflüssen
der flüssigen
Phase unterliegt. Dieses Spülintervall
wird wieder sinnvollerweise mit einem Mehrwege-Ventil gekoppelt,
so dass die ausgespülten
Sedimente am Auslass der Zentrifuge abgezweigt werden können.
Die
Zentrifuge wird nun so betrieben, dass Sedimentationsphase und Dispersionsphase
alternierend im Wechsel aufeinander folgen. Der Austrag der in der flüssigen Phase
dispergierten festen Phase geschieht während des zeitlich definierten
Spülintervalls,
während
welchem eine erneute Sedimentation durch Aufrechterhaltung der Turbulenz
vermieden werden kann. Der Volumenstrom wird während des Spülintervalls
erhöht,
um die redispergierte feste Phase schnell aus der Zentrifugentrommel
auszutragen.
Nach Anspruch 14 und 15 können die Wände des inneren Zentrifugenkörpers (2)
und des äußeren Zentrifugenkörpers (1)
turbulenzerzeugende Erhebungen und/oder Vertiefungen besitzen, ähnlich zur
in [0004] beschriebenen Ringkammerzentrifuge. Abhängig von
den physikalischen Eigenschaften der festen Phase ist in der Dispersionsphase
ein verschieden hoher Turbulenzgrad in den Dispersionsvolumen nötig, um
die Sedimente in der anliegenden flüssigen Phase zu redispergiern.
Gemäß dem kennzeichnenden
Teil in Anspruch 14 und 15 ist der Turbulenzgrad durch Anbringen
von Turbulenzerzeugern und Turbulenzhilfen beeinflussbar. Das Anbringen
der Turbulenzerzeuger und Turbulenzhilfen bewirkt, dass die durch
die Relativgeschwindigkeit des äußeren Zentrifugenkörpers (1)
bezüglich
des inneren Zentrifugenkörpers
(2) erzeugte Turbulenz gesteigert werden kann. Somit ist
es möglich
die Zentrifuge den physikalischen Eigenschaften der festen Phase
auf die Weise anzupassen, dass der korrekte Ablauf der Dispersionsphase
gewährleistet
werden kann. Die Turbulenzerzeuger und Turbulenzhilfen sind vorzugsweise
auf der, der gemeinsamen Rotationsachse abgewandten Seite der Zentrifugenkörper anzubringen.
Beim
Betreiben dieser Zentrifuge ist, wie in [0005] beschrieben, zu verfahren.
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Die
unter [0003] beschriebene Aufgabe der Erfindung kann somit, wie
in [0004, 0005, 0006] beschrieben, gelöst werden. Eine unter [0004,
0005, 0006] beschriebene Zentrifuge kann nun ohne Abschalten der
Maschine und ohne Demontage der Anlage entleert werden und ist für den quasi-kontinuierlichen
Betrieb geeignet.
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Zeichnungen:
- • 1 Prinzipskizze
der neuartig gestalteten Ringkammerzentrifuge. Zu sehen ist der
Halbschnitt der Vorderansicht, wobei:
– 1 = äußeren Zentrifugenkörper
– 2 =
innerer Zentrifugenkörper
– 3 =
Antriebswelle
– 4 =
Antrieb
– 5 =
Maschinensockel
– 6 =
Austritt des Volumenstromes aus der Zentrifugentrommel
– 7 =
Lager, welches nur eine Rotation um die eingezeichnete Achse zulässt
– 8 =
Eintritt des Volumenstromes in die Zentrifugentrommel
– 20, 21, 22, 23, 24 =
Dispersionsvolumen
– 30, 31 =
Scheidewände
des inneren Zentrifugenkörpers
– 32, 33 =
Scheidewände
des äußeren Zentrifugenkörpers
- • 2 Turbulenzerzeugende
Einbauten. Zu sehen ist ein horizontaler Schnitt durch 1,
wobei:
– 9, 10, 11, 12 =
Turbulenzerzeuger, Turbulenzhilfen
– 30, 31 =
Scheidewände
des inneren Zentrifugenkörpers
– 32, 33 =
Scheidewände
des äußeren Zentrifugenkörpers
- • 3, 4, 5, 6 verdeutlichen
neuartiges Verfahren zum Entleeren von Zentrifugen, wobei:
– 40 =
innerer Zentrifugenkörper
– 41 =
durchströmtes
Dispersionsvolumen
– 42 = äußerer Zentrifugenkörper
– 43 =
Turbulenzerzeuger – 44
= Richtung der Fliehkraft
– 45 =
Richtung des Volumenstromes
– 46 = sedimentierte
feste Phase.
- • 7 Prinzipskizze
einer neuartig gestalteten Zentrifuge. Zu sehen ist der Halbschnitt
der Vorderansicht, wobei:
– 50 =
Zentrifuge
– 1 = äußeren Zentrifugenkörper
– 2 =
innerer Zentrifugenkörper
– 3 =
Antriebswelle
– 4 =
Antrieb
– 5 =
Maschinensockel
– 6 =
Austritt des Volumenstromes aus der Zentrifugentrommel
– 7 =
Lager, welches nur eine Rotation um die eingezeichnete Achse zulässt
– 20 =
Dispersionsvolumen
– 30 =
Scheidewand des inneren Zentrifugenkörpers