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Die
Erfindung betrifft einen Separator zur Klärung und/oder Trennung von
Flüssigkeiten
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Düsenseparatoren
bekannter Bauart zeigen z.B. die die gattungsgemäße JP 62-117649 A und das Technische
Datenblatt: CH-30 GOF Separator-Nozzle-Centrifugator, Alfa Laval
AB, Druckvermerk PD 4149 en/0110. Die äußeren Teile derartiger Separatorentrommeln
werden z.B. unter Einsatz von Schmiedeverfahren hergestellt.
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Einen
Separator mit miteinander verschraubten, massiven Trommelunter-
und Trommeloberteilen zeigt ferner die
US 2,286,354 .
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Einen
Separator ohne Feststoffaustrag in einer Ausbildung als Trenner
zeigt die
US 2,017,734 .
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Die
DE 699 929 zeigt eine Schleudertrommel mit
einem in die Trommelkonstruktion integrierten Schwungring.
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Die
DE 169 365 C zeigt
eine Schleuder-Einrichtung für
die Stärkeproduktion.
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Aus
der
DE 74 35 598 U ist
es darüber
hinaus bekannt, eine Schleudertrommel für eine kontinuierlich arbeitende
Zuckerzentrifuge zu schaffen, wobei die Schleudertrommel einen aus
einem Stück bestehenden
Trommelmantel aufweist, der in einem Walzvorgang aus einer dünnen Edelstahl-Blechronde
geschaffen ist, die eine Wandstärke
von 3,5 mm aufweist. Die Trommel weist einen maximalen Durchmesser
von 1100 mm auf.
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Bei
Zentrifugen bekannter Bauart besteht insbesondere in Hinsicht auf
die Verarbeitung von Produkten, deren Partikelgröße stark durch mechanische
Beanspruchung oder durch zeitlich bedingte Agglomerationseffekte
bedingt ist, der Bedarf nach neuen konstruktiven Wegen, um die Klär- und Trennergebnisse
mittels Separatoren zu verbessern.
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Die
Lösung
dieses Problems ist die Aufgabe der Erfindung.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Sie schafft
ferner das Verfahren nach Anspruch 20.
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Nach
Anspruch 1 wird ein Separator zur Klärung und/oder Trennung von
Flüssigkeiten,
mit einer doppelt konischen Trommel geschaffen, die ein konisches
Trommeloberteil aus Metall und ein konisches Trommelunterteil aus
Metall aufweist, wobei in der Trommel ein Tellerpaket aus einem
Stapel konischer Trennteller angeordnet ist. dabei sind das Trommeloberteil
und das Trommelunterteil aus Metallblechen gefertigt, wobei der
größte innere
Durchmesser der Trommel größer als
1000 mm ist und wobei zumindest das Trommelunterteil, bezogen zumindest
auf die Außenfläche des
Trommelmantels in axialer Richtung wenigstens zwei Trommelmantelabschnitte mit
jeweils einem unterschiedlichen Konizitätswinkel – α1 ungleich α2 – zur Drehachse aufweist.
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In
konstruktiver Hinsicht ist die Konstruktion einfach und kostengünstig. Durch
die zwei unterschiedlichen Konizitätswinkel (am Außenumfang
und vorzugsweise auch am Innenumfang des Trommelunterteils wird
eine stabile Konstruktion geschaffen, die entgegen den Vorurteilen
des Standes der Technik auch als Tiefziehteil ausgebildet werden
kann.
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Durch
die zwei Konen im Trommelunterteil wird ein steifes Gebilde geschaffen,
dessen Eigenfrequenz oberhalb der Betriebsdrehzahl liegen kann.
Insofern wird der erfindungsgemäße Separator
vorzugsweise mit einer Drehzahl betriebnen, die um mehr als 30%
unterhalb der Eigenfrequenz liegt.
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Selbst
eine fliegende Lagerung der Trommel ist machbar.
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Dabei
ist die Partikelbeanspruchung der Partikel des zu verarbeitenden
Produktes in der „großen" Trommel sehr gering,
so dass auch empfindliche Produkte optimal verarbeitet werden können.
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Der
Durchmesser der Trommel beträgt
1000 mm oder mehr. Denkbar sind auch Konstruktionen mit einem Trommeldurchmesser
von 1500 mm oder mehr.
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Vorzugsweise
ist das Verhältnis
zwischen dem größten inneren
Durchmesser Di der Trommel und der Dicke bzw. Stärke der Metallbleche des Trommeloberteils
und des Trommelunterteils kleiner als 1/50, insbesondere kleiner
als 1/100.
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Der
Energiebedarf kann gegenüber
bestehenden Konstruktionen in der Regel gesenkt werden.
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Ebenfalls
erheblich verringert wird die Geräuschemission.
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Vorzugsweise
sind das Trommeloberteil und/oder das Trommelunterteil aus Metallblechen
in einem Umformverfahren – vorzugsweise
nicht spannend z.B. durch Tiefziehen oder Drücken oder Drückwalzen
oder dgl. – gefertigt.
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Durch
eine weitgehende Verwendung von Blechen in Standardqualität – d.h. in
einer Qualität, die
sich für
ein Tiefziehen oder für
Biege- oder Drückvorgänge eignet – zur Fertigung
werden die Herstellkosten deutlich gesenkt, da der Einsatz teurer Schmiedestücke aus
Sonderwerkstoffen entfallen kann.
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Vorzugsweise
beträgt
das Volumen der Trommel bei einem Durchmesser von 1000 mm oder mehr
wenigstens 300 l und bei einem Durchmesser von 2000 mm oder mehr
wenigstens 2000 l.
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Da
der Radius linear in die Formel für Berechnung der Zentrifugalbeschleunigung
eingeht, wird deutlich, dass die Drehzahl der Trommel mit einem
derart großen
Durchmesser bzw. großen
Volumen nur relativ klein sein muß, um eine Klär- und Trennwirkung
zu erhalten, welche der eines kleinen Separators bei hohen Drehzahlen
entspricht.
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Vorzugsweise
verjüngt
sich der Verteilerkörper
nach oben hin, wobei er Verteilerkanäle nach unten hin begrenzt,
die nach oben hin von einer vorzugsweise konischen Abdeckung und
in Umfangsrichtung von Rippen zwischen der Abdeckung und dem Verteilerkörper begrenzt
sind
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens zur
Klärung
oder Zwei- oder Dreiphasentrennung eines partikelsensitiven Produktes
(also eines Produktes, das auf Beschleunigungseffekte wie Scherung
und Druck empfindlich reagiert) und bei dem der Trennvorgang mittels
des erfindungsgemäßen Separators
bei einer Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser zwischen 10
und 50 m/sec erfolgt. Derart kann das Produkt weitestgehend problemlos
dem gewünschten
Klär- oder Trennvorgang
unterworfen werden. Die resultierende Verweilzeit des Produktes
in der Trommel wirkt sich positiv auf den Klär- und Trenneffekt auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den übrigen Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug
auf die Figuren näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 einen
Schnitt durch Haube und Trommel eines ersten erfindungsgemäßen Separators; und
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2 einen
Schnitt durch Haube und Trommel eines zweiten erfindungsgemäßen Separators.
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1 zeigt
einen Schnitt durch den Bereich der Haube 1 und der Trommel 2 eines
erfindungsgemäßen Separators,
mit dem ein flüssiges
Produkt geklärt
werden kann. Nicht dargestellt sind Antrieb und Steuerung des Separators.
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Die
Trommel 2 weist eine vertikale Drehachse D auf und ist
hier auf eine antreibende Spindel 3 aufgesetzt, die von
unten in einen Verteiler 4 ragt. Ein Zulaufrohr 11 ist
von oben in die Trommel 2 geführt. Ausführungsformen anderer Art z.B.
mit einer Produktzuleitung durch die untere Spindel 3 oder
mit einer hängenden
Trommel (hier nicht dargestellt) sind prinzipiell ebenfalls denkbar.
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Die
Trommel 2 weist ein Trommelunterteil 5 und ein
Trommeloberteil 6 auf, die zur Erzielung genügender Stabilität trotz
Einsatzes dünner
Bleche zu ihrer Herstellung beide konisch ausgestaltet sind. Würde dagegen
eines der Trommelteile, z.B. das Trommelunterteil 5, als
ebene Scheibe ausgebildet und auf diese ein konisches Trommeloberteil
aufgesetzt, wäre
diese Ausgestaltung bei den gewählten großen Durchmessern
aufgrund der bei einer Ebene auftretenden Schwingungen nach Art
einer ebenen Membran zu instabil. Die doppelt konische Ausgestaltung
ist daher besonders vorteilhaft.
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Nach 1 sind
sowohl das Trommelunterteil 5 als auch das Trommeloberteil 6 – der Deckel – aus einem
dünnen
Metallblech mit einer Dicke S im konischen Bereich gefertigt, und
zwar vorzugsweise in einem Umformverfahren. Es bietet sich an, das Trommeloberteil
und das Trommelunterteil z.B. in einem drückenden Umformverfahren aus
einem scheibenförmigen
Blech, z.B. einer Metallronde, zu fertigen. Alternativ ist es auch
denkbar, ein zurecht geschnittenes Stück Metallblech zu walzen (runden) und
im Bereich einer Längsnaht
durch Verschweißen zu
einem umfangsgeschlossenen konischen Trommelteil zu verarbeiten.
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Das
Trommelunterteil ist an seinem axial unteren, inneren Bereich an
der Unterseite eines unteren Verteilerkörpers 29 befestigt
(hier mit Schrauben 30), der den Verteilerzulauf nach unten
begrenzt und der eine Art konisches Sackloch 31 aufweist,
in das die Spindel 3 eingreift. Verteilerkörper 29 und
Spindel 3 sind hier über
eine in der Drehachse angeordnete Schraube 32 miteinander
verbunden.
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Der
Verteilerkörper 29 ist
vorteilhaft, da das Trommelunterteil 5 nicht selbst mit
seinen dünnen Blechwänden auf
die drehbar gelagerte Spindel 3 aufgesetzt werden kann.
Die Trommel wird damit einseitig gelagert.
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Der
Verteilerkörper 29 verjüngt sich
nach oben hin konisch und bildet die untere Begrenzung des Verteilerzulaufes.
Nach oben hin wird der Verteilerzulauf von einer konischen, tellerartigen
Abdeckung begrenzt. Hervorzuheben ist der hierdurch realisierte
große
Querschnitt des Verteilers nach Art von hier zwei z.B. im Querschnitt
rechteckigen, großvolumigen
Verteilerkanälen 34, 35 die
notwendig sind, um die nötige
Durchlaufmenge in die Trommel leiten. Die Verteilerkanäle 34, 35 sind
hier derart ausgestaltet, dass sie die austretende Flüssigkeit
im Bereich ihrer Austritte in die Trommel 2 an die Innenwandung
des Trommelunterteils 6 leiten. Die Verteilerkanäle 34, 35 werden
von Rippen 36 begrenzt, die sich zwischen der Abdeckung 33 und
dem Verteilerkörper 29 erstrecken
und an diesen beiden Elementen verbunden – z.B. verschweißt – sind.
Vorzugsweise sind vier, sechs oder mehr Rippen 36 symmetrisch umfangsverteilt
vorgesehen.
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In
der Trommel 2 – auf
einem Schaft 7 des Verteilers 4 – ist ein
Tellerpaket 8 als Stapel aus konischen Trenntellern angeordnet.
Die Trennteller können
auch Steigekanäle
enthalten. In dem Tellerpaket 8 ist – hier am inneren Verteilerschaft 7 – ein sich
axial durch das Tellerpaket 8 erstreckender Ableitungskanal 9 für eine Flüssigkeitsphase
ausgebildet, der durch Rand-Aussparungen in den Rändern der
Teller und/oder Nuten oder dgl. im Verteilerschaft 7 gebildet wird.
Denkbar ist es theoretisch auch, Steigekanäle in dem Tellerpaket auszubilden.
Die Flüssigkeit
tritt am oberen Ende der Trommel an einem freien Überlauf 15 aus.
Ein freier Überlauf 15 wird
anstelle einer Schälscheibe
bei der gewählten
Auslegung der Trommel bevorzugt.
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Die
Haube 1 der 1 weist in dem Bereich, in dem
sie das Trommeloberteil 6 umgibt, ein inneres Haubenteil 16 und
ein äußeres Haubenteil 17 auf, zwischen
denen die aus der Trommel austretende Flüssigkeit aufgefangen wird und
zu einer Ableitung 18 fließt. Im Bereich des Trommelunterteils
ist die Haube 1 dagegen einlagig nach Art eines Feststoff-Fängers 19 mit
einem Austritt 20 ausgebildet. Abhängig von der anfallenden Feststoffmenge
kann dieser Bereich auch anders ausgebildet sein.
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Bevorzugt
erfolgt die Ableitung der Feststoffphase über Düsen 10 am größten Durchmesser
der Trommel 2. Diese Düsen 10 können einen
relativ großen
Durchmesser von vorzugsweise 5 mm oder mehr, besonders vorzugsweise
10 mm oder mehr, insbesondere sogar 20 mm oder mehr aufweisen, so dass
die Gefahr eines Verstopfens der Düsen sehr gering ist. Die Düsen können radial
nach außen
gerichtet sein oder geneigt, insbesondere derart, dass die austretende
Phase in einem Winkel von 30° bis 60° zur Tangente
zum Trommelmantel austritt. Den Feststoffaustrittsöffnungen
könnte
auch ein Verschlussmechanismus zugeordnet sein (hier nicht dargestellt).
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Das
Trommeloberteil 6 weist einen konstanten Konizitätswinkel α3 auf, der
vorzugsweise zwischen 30° und
60° liegt.
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Das
Trommelunterteil 5 weist hier in axialer Richtung zwei
Abschnitte mit verschiedenen Konizitätswinkel α1, α2 zur Drehachse auf, wobei α1 vorzugsweise
zwischen 15° und
60° liegt.
Die zwei verschiedenen Konizitäten
(bezogen zumindest auf den Außenmantel
und vorzugsweise auch den Innenmantel) erhöhen die Stabilität des Trommelunterteils nochmals
deutlich. Vorzugsweise ist α1 > α2.
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Am äußeren Umfangsrand
im Bereich des größten Durchmesser
sind das Trommelunterteil 5 und das Trommeloberteil 6 im
Bereich von ringartigen Verdickungen 12 mittels Schraubbolzen 13 miteinander
verbunden. Andere Verbindungsarten sind ebenfalls denkbar.
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Liegen
die Konizitätswinkel α1, α2, α3 der Trommelteile 5, 6 zwischen
15° und
60° und
der größte innere
Durchmesser Di der Trommel 2 bei mehr als 2000 mm, was
eine denkbare Konstruktion ist, weist die Zentrifuge u.U. sogar
ein Volumen von vorzugsweise mehr als dem zwanzigfachen des Volumens
eines herkömmlichen
Separators auf.
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Dabei
wird die Trommel 2 im Betrieb mit einer im Vergleich zu
kleineren Separatoren relativ niedrigen Betriebsdrehzahl betrieben,
die zu Umfangsgeschwindigkeiten am größten Außendurchmesser von 50 m/sec
oder mehr führt.
Für partikelsensitive
Produkte sind auch niedrigere Umfangsgeschwindigkeiten am größten Außendurchmesser
zwischen 10 und 50 m/sec denkbar. Realisierbar ist insbesondere
auch eine fliegende Lagerung der Trommel.
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Die
Beanspruchung der Partikel des zu verarbeitenden Produktes ist bei
den erreichbaren niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten sehr gering,
so dass auch in dieser Hinsicht empfindliche Produkte optimal verarbeitet
werden können.
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Die
Verweilzeit der Partikel in der Trommel und im Zentrifugalfeld wird
durch das große
Volumen der Trommel verlängert,
was die Klärleistung
einer solchen Trommel positiv beeinflusst.
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1 zeigt
eine Ausführung
als Klärmaschine
(Klärung
eines Produktes in die Phasen „Flüssig/Fest"), während 2 eine
Zweiphasen-Trennmaschine (Trennung eines Produktes in die Phasen: „Flüssig/Flüssig"), wobei die zweite
Flüssigkeitsphase
im Unterschied zur 1 über einen Scheideteller 14 oberhalb
des Tellerpaktes 8 abgeleitet wird.
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Die
Haube 1 der 2 weist in dem Bereich, in dem
sie das Trommeloberteil 6 umgibt, ein inneres Haubenteil 21,
ein mittleres Haubenteil 22 und ein äußeres Haubenteil 23 auf,
zwischen denen jeweils die aus der Trommel an hier zwei freien Überläufen 24, 25 austretenden
Flüssigkeitsphasen
aufgefangen werden und zwischen denen sie zu Ableitungen 26, 27 abfließen. Im
Bereich des Trommelunterteils ist die Haube 1 wiederum „einlagig" mit einem Sicherheits-Austritt 20 ausgebildet.
Die Mehrlagigkeit wirkt auch geräuschdämmend.
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Dreiphasenmaschinen
(zur Trennung und Klärung
in die Phasen „Flüssig/Flüssig/Fest") sind ebenfalls
realisierbar (hier nicht dargestellt).
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Vorzugsweise
wird die Trommel fliegend gelagert (hier nicht dargestellt). Geschaffen
wird derart eine membranfreie, steife Konstruktion mit einer Eigenfrequenz.
die oberhalb, insbesondere mehr als 30% oberhalb, der Betriebsdrehzahl
liegen kann.
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- 1
- Haube
- 2
- Trommel
- 3
- Spindel
- 4
- Verteiler
- 5
- Trommelunterteil
- 6
- Trommeloberteil
- 7
- Schaft
- 8
- Tellerpaket
- 9
- Ableitungskanal
- 10
- Düsen
- 11
- Zulaufrohr
- 12
- Verdickungen
- 13
- Schraubbolzen
- 14
- Scheideteller
- 15
- Überlauf
- 16
- Haubenteil
- 17
- Haubenteil
- 18
- Ableitung
- 19
- Feststoff-Fängers
- 20
- Austritt
- 21,
22, 23
- Haubenteile
- 24,
25
- Überläufe
- 26,
27
- Ableitungen
- 29
- Verteilerkörper
- 30
- Schrauben
- 31
- Sackloch
- 32
- Schraube
- 33
- Abdeckung
- 34,
35
- Verteilerkanäle
- 36
- Rippen
- 37,
38
- Abschnitte
- D
- Drehachse
- S
- Dicke