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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen
Abtrennung feinkristalliner Produkte aus einer Suspension mit einem Separator.
Der Separator ist dabei eine Dekantier-Zentrifuge mit einer um eine
Drehachse drehbar gelagerten Trommel mit einem ersten und einem zweiten
Ende, mit einer Eintragseinrichtung zum Einleiten der Suspension
in die Trommel, mit einer in der Trommel drehbaren Förderschnecke,
mit einem Austragsraum am ersten Ende der Trommel, in den die Förderschnecke
das feinkristalline Produkt fördert, wobei der Austragsraum
eine erste Austrittsöffnung für das feinkristalline
Produkt aufweist, und mit einem Überlaufwehr am zweiten
Ende der Trommel mit einer zweiten Austrittsöffnung für
die geklärte Flüssigkeit der Suspension.
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Die
Suspension wird der rotierenden Trommel der Dekantier-Zentrifuge
aufgegeben. Durch die Fliehkraft setzt sich das feinkristalline
Produkt an der Innenwand der Trommel ab und wird über die
rotierende Förderschnecke in den Austragsraum am ersten
Ende der Trommel gefördert. Dort wird es durch die erste
Austrittsöffnung ausgetragen. Die geklärte Flüssigkeit
läuft über die zweite Austrittsöffnung
am zweiten Ende der Trommel ab.
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Um
Feststoffe aus einer Suspension zu gewinnen, werden herkömmlicherweise
Filteraggregate, wie Filterpressen, Pressfilterautomaten oder Vakuum-Bandfilter,
eingesetzt. Eine Filterpresse setzt sich aus mehreren, aneinander
gereihten Filterplatten zusammen. Um diese Platten ist eine Membran, das
sogenannte Filtertuch, gespannt. Die Suspension wird unter hohem
Druck durch die Filtertücher gepresst, wobei die Feststoffe
in den Filtertüchern zurückgehalten werden. Die
Feststoffe schließen sich zu einem festen Filterkuchen
zusammen. Sind die Kammern zwischen den Filterplatten vollständig
mit Filterkuchen gefüllt, wird kaum noch Suspension gefiltert,
und der Kuchen muss dann entfernt werden. Dazu muss die Filterpresse
geöffnet und der Kuchen von den Filtertüchern
manuell entfernt werden.
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Die
Trennung hydrothermal synthetisierter, (fein-)kristalliner, zeolithischer
Katalysatoren, wie z. B. Pentasile, Beta oder TS-1, von der Mutterlauge wird
bisher mit einer der oben erwähnten Filtervorrichtungen
durchgeführt. Die Filtration einiger Zeolithe, speziell
der sehr feinkörnigen MFI, Beta, Titansilicalite (TS-1,
TS-2), SAPO, ALPO Katalysatoren, ist allerdings problematisch, da
die Mutterlauge von klebriger Konsistenz ist und außerdem
zur Thixotropie neigt. Thixotrope Medien zeichnen sich dadurch aus,
dass sich ihre Viskosität unter Scherbeanspruchung (z.
B. Rühren, Schütteln) verringert und sie sich
ohne Scherbeanspruchung wieder verfestigen. Aus diesem Grund kleben
die Filtertücher aneinander, und der Zeolith lässt
sich nur schwer vom Filtertuch ablösen. Ein erhöhter
Reinigungsaufwand und Produktverluste sind die Folge. Wird ein Vakuum-Bandfilter
zur Trennung eingesetzt, sind ebenfalls höhere Produktverluste
zu verzeichnen, da die feinkörnigen Zeolithkristalle das
vergleichsweise weitmaschige Filtertuchmaterial des Bandfilters durchdringen
können.
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Die
Abtrennung von Titansilicaliten wie TS-1 von der Mutterlauge mittels
Filtration scheitert oftmals an einem ungenügenden Filterkuchenaufbau. Dies
gilt sowohl für Druckfiltrationen, Pressfiltrationen und
Vakuumfiltrationen als auch für die Doppelseiten-Filtration.
Der Filterkuchen klebt in diesen Fallen förmlich an den
Filtermedien an und kann deshalb nur unzureichend entfernt werden.
Die Verwendung einer Filterpresse, um (fein-)kristalline, zeolithische Katalysatoren
aus der Mutterlauge abzutrennen, ist daher für den kommerziellen
Maßstab auszuschließen.
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In
der
US 2003/0152510
A1 wird eine Methode zur kommerziellen Herstellung von
kristallinen TS-1 Zeolithen und deren Verwendung als Katalysator
für die Oxidation beschrieben. Darin wird vorgeschlagen,
die TS-1 Zeolithe aus Suspensionen unter Verwendung einer Zentrifuge
oder durch Filtration unter Zusatz von Flockungsmitteln zu gewinnen.
Beispielhaft werden Laborversuche beschrieben, in denen geringe
Mengen einer Suspension in nicht näher definierten Laborzentrifugen
bei 3000 bis 10000 U/min über 0,5 bis 2 Std. ausgeschleudert
werden. Dabei handelt es sich um diskontinuierlich arbeitende Standard-Becherzentrifugen.
Das Problem, dass ein derartiges Verfahren nicht ohne Weiteres auf
den Produktionsmaßstab projizierbar ist, wird nicht erkannt.
Ein Hinweis auf ein funktionstüchtiges, erprobtes und großtechnisch
einsetzbares Verfahren wird nicht gegeben.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der kontinuierlichen
Abtrennung feinkristalliner Produkte aus einer Suspension im großtechnischen
Rahmen.
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Die
Aufgabe wird bei einer Dekantier-Zentrifuge der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass eine Einspritzdüse im
Bereich des Austragsraumes angebracht ist, so dass dem feinkristallinen
Produkt im Austragsraum eine Flüssigkeit beigemischt werden
kann, um es fließfähig zu halten und anschließende
Waschzyklen zu verbessern.
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Mit
der erfindungsgemäßen Dekantier-Zentrifuge wird
eine kontinuierliche Abscheidung von suspendierten Feststoffen aus
Flüssigkeiten, eine Klärung von Flüssigkeiten
und eine Klassierung von Feinpigmenten ermöglicht. Außerdem
kann sie dazu eingesetzt werden, Feststoff-/Flüssigkeitssysteme, die
zum Beispiel bei der Zeolithherstellung anfallen, zu trennen. Die
Trennung ist auch dann möglich, wenn auf Grund der kleinen
Partikelgröße der Feststoffe herkömmliche
Aggregate, wie Filterpressen und Bandfilter, diese Aufgabe nicht
oder nur unzureichend erfüllen können. Die Dekantier-Zentrifuge kann
auch zur Nachklärung des bei herkömmlichen Filtrationsanlagen,
wie Filterpressen, Pressfilterautomaten und Bandfiltern, anfallenden
Filtrats eingesetzt werden.
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Die
Höhe des Flüssigkeitsaustritts am Überlaufwehr
und der Durchmesser der Einspritzdüsen sind einstellbar
und können der Filtrationsaufgabe angepasst werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Dekantier-Zentrifuge
mit einer Wehrscheibe ausgestattet, die im Inneren der Trommel von
der Drehachse radial nach außen zeigt, so dass ein Spalt
zwischen der Wehrscheibe und der inneren Mantelfläche der Trommel
gebildet wird. Die Höhe, sowie der Winkel der Wehrscheibe
sind dabei einstellbar. Durch die Wehrscheibe ist es wiederum möglich,
die Dekantier-Zentrifuge optimal an die Filtrationsaufgabe anzupassen.
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Vorzugsweise
verjüngt sich die Trommel konisch in Richtung ihres ersten
Endes. Die Wehrscheibe befindet sich dann vorzugsweise in dem sich
konisch verjüngendem Bereich der Trommel.
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Das
feinkristalline Produkt am Austrag der Dekantier-Zentrifuge wird
Nassfilterkuchen genannt. Der Nassfilterkuchen kann eine zähflüssige,
klebrige Masse sein, die nur schlecht mittels Förderapparaten,
wie Förderschnecken, transportiert werden kann. Um in einem
solchen Fall die Förderfähigkeit des Nassfilterkuchens
zu erhöhen, kann ihm ein trockenes, kristallines Pulver
beigemengt werden. Zu diesem Zweck ist eine entsprechende Aufgabevorrichtung
im Bereich der Austrittsöffnungen des feinkristallinen
Produktes vorgesehen.
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Gegenstand
der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Abtrennung
feinkristalliner Produkte aus einer Suspension, wobei die Suspension
einer erfindungsgemäßen Dekantier-Zentrifuge aufgegeben
wird.
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Das
Verfahren eignet sich besonders für Suspensionen mit einem
hohen Feststoffgehalt von bis zu 40 Gew.-%. Vorzugsweise beträgt
der Feststoffanteil zwischen 6 Gew.-% und 30 Gew.-% und noch vorzugsweise
zwischen 15 Gew.-% und 26 Gew.-%. Bei einem zweistufigen Prozess
kann der Feststoffgehalt der nachzuklärenden Flüssigkeit < 6 Gew.-% betragen.
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Die
Primärkristall-Größe des in der Suspension
vorliegenden feinkristallinen Produkts liegt bei unter 0,1 μm
und die Agglomerat-Größe bei unter 15 μm.
Bevorzugt liegt die Agglomeratgröße zwischen 0,1 μm
und 5,0 μm und noch bevorzugter zwischen 0,15 μm
und 2,0 μm. Das Aussehen der Primärkristalle und
Agglomerate kann inhomogen und blumenkohlartig sein. Mit dem Filtrationsverfahren
können aber auch Suspensionen einheitlicher, kugelförmiger Kristalle
abgetrennt werden. Die in der Suspension enthaltenen Kristalle können
kubisch oder quaderförmig sein. Sie können auch
dünne quadratische Plättchen sein. Die Kristalle
können in unterschiedlichen Größen, Dicken
und Formen vorliegen. Die Kristallformen können dabei inhomogen
sein, einzeln vorliegen, oder auch übereinanderliegend,
gestapelt oder miteinander verwachsen sein.
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Mit
dem Verfahren können Suspensionen, die sich in aufkonzentriertem
Zustand dilatant verhalten, filtriert werden. Es ist auch für
Suspensionen geeignet, die zur Thixotropie neigen und deshalb bei der
Verwendung von Filtertüchern kein gutes Filtrierergebnis
zeigen. Da die Suspension in der Dekantier-Zentrifuge ständig
umgewälzt wird, ist eine mögliche Thixotropie
der Suspension unerheblich.
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Das
Verfahren dient zur Abtrennung (fein-)kristalliner Produkte aus
einer Suspension. Insbesondere betrifft das Verfahren Zeolithe,
vor allem aber MFI, MFI Strukturtypen, Beta, Mordenit, Chabazit,
SAPO, ALPO, L-Zeolith, Titansilicalite wie TS-1 und TS-2, Zeolithe,
die Metallionen enthalten, Zeolithe, die Metallionen im Gitter miteingebaut
haben, Zeolithe mit (Erd-) Alkalimetallionen, sowie Suspensionen
der genannten Zeolithe unter Zusatz von Filterhilfsmitteln oder
Flockungsmitteln.
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Der
Feststoffgehalt des Filtrats beträgt nach der Filtration
weniger als 2 Gew.-%. Damit ist das Verfahren effizienter als herkömmliche
Filtrationsverfahren mit Filterpressen oder Bandfiltern. Die Dekantier-Zentrifuge
kann daher auch in Kombination mit einer herkömmlichen
Filtrationsanlage verwendet werden, um zusätzliches Produkt
aus der Suspension zu gewinnen.
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In
Abhängigkeit von den zu filternden Feststoff-/Flüssigkeitssystemen
können Eindickungsmittel, Filterhilfsmittel oder Flockungsmittel
eingesetzt werden. Diese Hilfsmittel können über
die Einspritzdüsen im Austragsbereich beigemischt werden.
Es ist auch möglich, die Hilfsmittel parallel beim Filterprozess
beizumischen.
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Es
können auch mehrere Dekantier-Zentrifugen gleichzeitig
eingesetzt werden. Die Dekantier-Zentrifugen können dabei
hintereinander oder parallel geschaltet werden. Dadurch wird der
Produktdurchsatz erhöht, und, je nach Zugaben von Verdünnungswasser
in der Dekantier-Zentrifuge, kann die Wäsche exakt gesteuert
werden. Durch die gleichzeitige Wäsche kann ein schnelleres
Filtrationsergebnis erzielt werden.
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Das
Verfahren beinhaltet auch die Zugabe von trockenen oder kalzinierten
Pulvern zu dem gefilterten Produkt, dem sogenannten Nassfilterkuchen. Dadurch
kann das Produkt in einem nachfolgenden Förderorgan besser
befördert werden.
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Der
zu filternde Feststoff kann auf der Dekantier-Zentrifuge verdünnt
und gleichzeitig gewaschen werden.
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Es
ist möglich, die Dekantier-Zentrifuge im Kreislaufbetrieb
zu betreiben. Dazu wird die geklärte Flüssigkeit
der Dekantier-Zentrifuge über ein Leitungssystem erneut
aufgegeben. Der Kreislaufbetrieb dient dazu, die geklärte
Flüssigkeit von weiterem Feststoff zu befreien. Durch den
Kreislaufbetrieb kann aber auch ein Stillstand der Dekantier-Zentrifuge
vermieden werden, falls die Zufuhr von zu klärender Suspension
unterbrochen ist.
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Ein
Vorteil des Verfahrens liegt in der Verringerung des Waschwassereinsatzes
und der Erhöhung der Produktausbeute. Ein weiterer Vorteil
des Verfahrens ist die kontinuierliche Abtrennung der Feststoffe
in einem Schritt. Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, kann die
Dekantier-Zentrifuge, im Gegensatz zu anderen Trennapparaten, technisch
optimal an die Trennaufgabe angepasst werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Dekantier-Zentrifuge mit Einspritzdüsen am Austragsraum
im Längsschnitt.
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1 ist
eine Seitenansicht einer Dekantier-Zentrifuge 10 im Längsschnitt.
Sie weist eine geschlossene Trommel 12 (Trommeldurchmesser
d = 372 mm) auf, die um eine Längsachse 14 drehbar
gelagert ist, und ein erstes und ein zweites Ende 16, 18 aufweist.
Die Trommel 12 ist im mittleren Drittel ihrer Länge
zylinderförmig und ebenso in dem Drittel, das sich zum
zweiten Ende 18 hin anschließt. In dem sich zum
ersten Ende 16 hin anschließenden Drittel verjüngt
sich die Trommel 12 konisch auf etwa den halben Durchmesser.
Eine zu klärende Suspension 20 wird über
eine Eintragseinrichtung 22 in die Trommel 12 eingetragen.
Die Eintragseinrichtung 22 ist ein durch das zweite Ende 18 hindurch
geführtes, mittiges, axiales Rohr, das etwa in der Mitte
der Länge der Trommel 12 Öffnungen 23 aufweist,
durch die die zu klärende Suspension 20 in die
Trommel 12 eingeleitet wird.
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Durch
die Zentrifugalbeschleunigung wird die Suspension 20 in
der sich drehenden Trommel 12 in feinkristallines Produkt 24 und
Flüssigkeit 26 getrennt. Das feinkristalline Produkt 24 setzt
sich aufgrund seines höheren spezifischen Gewichtes an
der Innenwand der Trommel 12 ab und wird mittels einer Förderschnecke 28 in
einen Austragsraum 30 am ersten Ende 16 der Trommel 12 gefördert.
Der Durchmesser der Förderschnecke 28 ist dem
Durchmesser der Trommel 12 eng angepasst. Eine Wehrscheibe 32,
die sich in einem mittleren Bereich der Trommel 12 befindet,
unterstützt die Förderwirkung der Förderschnecke 28 insbesondere
dann, wenn das feinkristalline Produkt 24 eine zähflüssige
Konsistenz besitzt. Das feinkristalline Produkt wird vor der Wehrscheibe 32 gestaut
und aufgrund des sich dabei ergebenden Staudrucks durch den Spalt
zwischen der Wehrscheibe 32 und der Trommel 12 in
Richtung des Austragsraumes 30 gepresst.
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Im
Austragsraum 30 befinden sich auf dem Umfang der Trommel 12 mehrere
erste Austrittsöffnungen 34, durch die das feinkristalline
Produkt 24 aus der Dekantier-Zentrifuge 10 ausgetragen
wird. Drei Einspritzdüsen 36 befinden sich über
dem Bereich der ersten Austrittsöffnungen 34.
Durch sie wird vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) in den Austragsraum
eingebracht und dort dem feinkristallinen Produkt 24 beigemischt.
Durch die Zugabe von Wasser bleibt das feinkristalline Produkt 24 fließfähig
und Verklumpungen, die den Austrag des feinkristallinen Produktes 24 behindern,
werden vermieden.
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Die
geklärte Flüssigkeit 26 passiert ein Überlaufwehr 38,
das sich an dem zweiten Ende 18 der Trommel 12 befindet.
Das Überlaufwehr umschließt eine mittige, zweite
Austrittsöffnung 40, aus der die geklärte
Flüssigkeit 26 aus der Dekantier-Zentrifuge 12 ausgetragen
wird. Das Überlaufwehr 38 wird je nach Produkt 24 auf
eine Weite von 262 bis 290 mm eingestellt.
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Die
folgenden Versuche sollen illustrieren, wie bekannte Dekantier-Zentrifugen
durch die erfindungsgemäßen, konstruktiven Modifikationen
so umgerüstet werden können, dass sie dazu in
der Lage sind, Zeolithmutterlauge mit einem Feststoffanteil von
bis zu 30 Gew.-% zu klären.
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Vergleichsversuch 1 mit kommerzieller
Dekantier-Zentrifuge:
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Eine
kommerziell erhältliche Hochleistungs-Dekantier-Zentrifuge
vom TYP DECAPRESS DP 26–422 der Hiller GmbH wurde zur Entwässerung von
Zeolithmutterlauge eingesetzt. Die in dieser Anlage eingesetzte
Trommel hat einen Innendurchmesser von 260 mm und eine Länge
von 1.155 mm. Die maximale Drehzahl beträgt 5.200 U/min,
was einer maximalen Zentrifugalbeschleunigung von 3.900 × g entspricht.
Die zu filternde Zeolithmutterlauge hatte einen Feststoffgehalt
von ungefähr 20 Gew.-%.
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Die
Anlage wurde bei einer Drehzahl von 3500 U/min und mit Standard-Wehrscheiben
von 137 mm bis 146 mm Durchmesser betrieben. Die Durchsatzleistung
betrug 1,5 m3/h. Unter diesen Versuchsbedingungen
konnte das Drehmoment der Schnecke bei etwa 55% (1050 Nm) des Maximalwertes
gehalten werden. Das dabei ausgetragene Filtrat ließ sich optisch
nicht von der aufgegebenen Zeolithmutterlauge unterscheiden. Ein
Feststoffaustrag war entweder nicht vorhanden, oder er war klumpig
und klebrig.
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Versuch 2 mit erfindungsgemäß modifizierter
Dekantier-Zentrifuge:
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In
diesem Versuch wurde ebenfalls die oben beschriebene Dekantierzentrifuge
verwendet, wobei vor Versuchsbeginn konstruktive Modifikationen
vorgenommen wurden. Für die zu filternde Zeolithmutterlauge
wurde ein flexibel einstellbares Überlaufwehr eingesetzt.
Im Austragsbereich der Zentrifuge wurde eine Einspritzdüse
angebracht, um den auszutragenden Feststoff fließfähig
zu halten. Außerdem wurde der Durchsatz auf 450 l/h reduziert.
Die zu filternde Zeolithmutterlauge hatte wiederum einen Feststoffgehalt
von ungefähr 20 Gew.-%. Mit der erfindungsgemäß modifizierten
Dekantier-Zentrifuge ließ sich ein kontinuierlicher Austrag
bei optimalem Filtrat erzielen. Das Filtrat hatte einen Feststoffanteil von
unter 2 Gew.-%.
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Versuch 3 mit erfindungsgemäß modifizierter
Dekantier-Zentrifuge:
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In
einer dritten Versuchsreihe, die an der in Versuch 2 beschriebenen,
modifizierten Zentrifuge durchgeführt wurde, wurde die
Zentrifuge mit Filtrat aus einem Vakuumbandfilter beschickt. Der
Feststoffgehalt des Bandfilter-Filtrats betrug zwischen 2,5 Gew.-%
und 5 Gew.-%. Um Flüssigkeitsdurchbrüche am Feststoffaustrag
zu verhindern, musste das Drehmoment der Schnecke auf mindestens
20% des Maximalwertes gehalten werden. Dies wird durch eine positive
Wehreinstellung ermöglicht. Bei Durchsatzleistungen von
etwa 1400 l/h konnte damit der Feststoffanteil des Filtrats ebenfalls
auf unter 2 Gew.-% gesenkt werden.
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Vergleichsversuch 4 mit kommerziellem
Dekanter:
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In
einer dritten Versuchsreihe wurde ein Dekanter vom Typ CA 225-01-00
der Westfalia GmbH zur Klärung von Zeolithmutterlauge,
die nach einer Bandfiltration noch einen Feststoffgehalt von etwa 5%
besaß, eingesetzt.
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Ohne
konstruktive Modifikationen vorzunehmen, konnte die Suspension geklärt
werden. Da jedoch der Durchsatz größer als der
Zulauf war, musste der Dekanter immer wieder abgestellt werden.
Es ergaben sich jedoch Probleme bei der Wiederinbetriebnahme des
Dekanters. Problematisch war dabei insbesondere die Konsistenz des
Feststoffaustrags. Dieser war sehr klumpig und trocknete beim Stillstand
des Dekanters an der Trommel fest und blockierte dabei die freie
Rotation der Trommel.
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Versuch 5 mit erfindungsgemäß modifiziertem
Dekanter:
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In
diesem Versuch wurde der Dekanter so angeschlossen, dass er, wenn
keine Suspension aus dem Zulauf anfällt, in einen Kreislaufbetrieb
umgeschaltet werden kann. Im Kreislaufbetrieb wird dem Dekanter
bereits geklärte Mutterlauge erneut aufgegeben. Dadurch
wird ermöglicht, dass der Dekanter kontinuierlich betrieben
werden kann und sich keine Ablagerungen am Feststoff-Austragsende
bilden können. Eine weitere Modifikation betrifft wiederum das
Hinzufügen einer Einspritzdüse am Feststoff-Austragsende,
wodurch dem Feststoffaustrag geringe Mengen an VE-Wasser beigemischt
werden konnten. Dadurch war es möglich, den Austrag hinreichend
fließfähig zu halten und den Feststoff im Dauerbetrieb
kontinuierlich auszutragen. Der Feststoffanteil des geklärten
Filtrats betrug durchschnittlich unter 2 Gew.-%. Die Feststoffausbeute
aus der Mutterlauge konnte somit auch hier signifikant erhöht werden.
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- 10
- Dekantier-Zentrifuge
- 12
- Trommel
- 14
- Längsachse
- 16
- erstes
Ende der Trommel
- 18
- zweites
Ende der Trommel
- 20
- Suspension
- 22
- Eintragseinrichtung
- 23
- Öffnungen
der Eintragseinrichtung
- 24
- feinkristallines
Produkt
- 26
- geklärte
Flüssigkeit
- 28
- Förderschnecke
- 30
- Austragsraum
- 32
- Wehrscheibe
- 34
- erste
Austrittsöffnung
- 36
- Einspritzdüsen
- 38
- Überlaufwehr
- 40
- zweite
Austrittsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2003/0152510
A1 [0006]