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Aus
der
DD 213 839 sind ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung von Stoffen aus Flüssigkeiten
bekannt. Dabei wird in einem gemeinsamen Gehäuse eine mehrstufige
Abtrennung von suspendierten Partikeln und anderen Verunreinigungen
aus der Flüssigkeit vorgenommen.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung lässt sich
von unten nach oben in insgesamt drei Zonen einteilen. Im unteren
Teil der Vorrichtung wird eine verunreinigten Flüssigkeit
in die Vorrichtung gefördert und verteilt. In einer mittleren
Zone, der so genannten Separatorzone, wird versucht, die noch in
der Flüssigkeit befindlichen Verunreinigungen zu koagulieren.
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Oberhalb
der Separatorzone ist ein Schwimmkornfilter vorgesehen, in dem die
feinsten, noch in der Flüssigkeit vorhandenen Verunreinigungen
ausgefiltert werden. Das solcherweise gereinigte Permeat wird oben
aus dem Gehäuse abgezogen.
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Nachteilig
an der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung ist der sehr
komplexe Aufbau der Verteileinrichtung und die dadurch sich innerhalb des
Gehäuses ergebenden vergleichsweise schmalen Strömungskanäle
für die verunreinigte Flüssigkeit. Dies bedeutet,
dass neben vergleichsweise hohen Herstellungskosten auch die Gefahr
von Verstopfungen oder von nicht durchströmten Bereichen besteht,
so dass der Wirkungsgrad beziehungsweise die Leistungsfähigkeit
der Vorrichtung nicht optimal ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Reinigen
von Flüssigkeiten von suspendierten Partikeln und anderen
Verunreinigungen so weiterzuentwickeln, dass die Wirksamkeit der Reinigungsvorrichtung
verbessert und gleichzeitig die Herstellung derselben vereinfacht
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung
zum Reinigen von Flüssigkeiten von suspendierten Partikeln
und anderen Verunreinigungen umfassend ein Gehäuse, eine
im unteren Teil des Gehäuses angeordnete Verteileinrichtung
für die verunreinigte Flüssigkeit sowie einer
in einem mittleren Teil eines Gehäuses angeordneten Separatorzone
und einen oberhalb der Separatorzone angeordneten Schwimmkornfilter,
wobei im unteren Teil des Gehäuses ein Abzug für
das Retentat, und wobei im oberen Teil des Gehäuses ein
Abzug für das Permeat vorgesehen ist, dadurch gelöst,
dass eine Austrittsfläche der Verteileinrichtung auf den
Abzug für das Retentat gerichtet ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung der Verteileinrichtung
wird die noch mit allen Verunreinigungen und suspendierten Partikeln
belastete Flüssigkeit direkt auf den Abzug für
das Retentat gerichtet in das Gehäuse der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gepumpt. Dadurch erhalten insbesondere die großen und
schweren in der Flüssigkeit vorhandenen Verunreinigungen
einen starken Impuls in Richtung des Abzugs für das Permeat.
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Da
jedoch nur ein kleiner Teil der verunreinigten Flüssigkeit
direkt von der Verteileinrichtung in den Abzug für das
Permeat strömen kann, wird ein erheblicher Teil der verunreinigten
Flüssigkeit kurz vor dem Erreichen des Abzugs für
das Permeat zwangsweise umgelenkt.
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Da
jedoch vor allem die großen und schweren in der Flüssigkeit
vorhandenen Verunreinigungen dieser Umlenkung aufgrund der auf sie
wirkenden verhältnismäßig großen
Trägheitskräfte nicht folgen, strömen
bevorzugt diese Verunreinigungen direkt weiter in den Abzug für
das Permeat strömen. Diese Effekte, die auf die noch mit
allen Verunreinigungen behaftete Flüssigkeit wirken, bewirken
eine erste Grobreinigung der Flüssigkeit von den größten
und schwersten in der Flüssigkeit vorhandenen Verunreinigungen.
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Infolgedessen
verbleiben in der Flüssigkeit nach dieser ersten Grobreinigung
nur noch weniger und vor allem kleinere und leichtere Verunreinigungen,
die nachfolgend in der Separatorzone und dem Schwimmkornfilter ausgefiltert
werden.
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Die
Separatorzone ist aus verschiedenen in einer Ebene angeordneten
Leitblechen oder mehreren in verschiedenen Ebenen übereinander
angeordneten Leitblechebenen aufgebaut und bewirkt eine mehrfache
Umlenkung und Verwirbelung der Flüssigkeit. Diese Umlenkungen
und Verwirbelungen der Flüssigkeit führen zwangsläufig
dazu, dass die in der Flüssigkeit vorhandenen feinen Schwebeteilchen und
suspendierten Partikel miteinander in Kontakt kommen, zu größeren
Teilchen koagulieren und sich dann durch Sedimentation nach unten
an dem Boden des Behälters absetzen. Dort befinden sich
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Abzug
für das Retentat, so dass die koagulierten vergrößerten
Verunreinigungen, die aus der Separatorzone auf den Boden des Gehäuses
abgesunken sind, dort ebenfalls abgezogen werden können.
Damit hat die zu reinigende Flüssigkeit eine zweite und
ebenfalls sehr wirkungsvolle Reinigungsstufe durchlaufen. Im Ergebnis
befinden sich oberhalb der Separatorzone nur noch feine und sehr
kleine Verunreinigungen in der Flüssigkeit, deren Masse
verglichen mit der ursprünglich in der Flüssigkeit
befindlichen Masse von Verunreinigungen nur noch einen sehr geringen
Teil von beispielsweise 30% oder 20% ausmacht.
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Diese
nach wie vor verunreinigte Flüssigkeit wird nun in herkömmlicher
Weise durch den Schwimmkornfilter geleitet und dort weiter gereinigt.
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Da
die Masse an Verunreinigungen in der Flüssigkeit beim Eintritt
in den Filter schon sehr gering ist, setzt sich der Schwimmkornfilter
auch nur sehr langsam zu, so dass ein Reinigen des Schwimmkornfilters
nicht oder nur nach sehr langen Betriebsintervallen erforderlich
wird.
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Oberhalb
des Schwimmkornfilters wird die in drei Stufen gereinigte Flüssigkeit
abgezogen und einer weiteren Verwendung beziehungsweise einer Nachbehandlung
zugeführt.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verteileinrichtung
als Rohrstück ausgebildet. Dies bedeutet, dass die verunreinigte Flüssigkeit
in Form eines Flüssigkeitsstrahls, der auf den Abzug für
das Retentat gerichtet ist, in die erfindungsgemäße
Vorrichtung gefördert wird. Dadurch erhält dieser
Flüssigkeitsstrahl die gewünschte kinetische Energie,
welche zum ersten Reinigungsschritt im Bereich der Umlenkung des
Flüssigkeitsstrahls vor dem Abzug für das Retentat
beiträgt.
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Alternativ
ist es auch möglich, die Verteileinrichtung als Diffusor
auszubilden, so dass eine gewisse Verzögerung der Strömung
vorgenommen wird und die Abmessungen der Zuführleitung
entsprechend geringer gewählt werden können.
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Je
nachdem wie der Kegelwinkel des Diffusors ausgestaltet ist, kann
es lokal zu Strömungsablösungen kommen, was zu
einer Intensivierung der Verwirbelung führt und infolgedessen
schon eine gewisse Koagulation der in der Flüssigkeit befindlichen Verunreinigung
und/oder eventuell vorab zugesetzter Flockungsmittel bewirkt.
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Auch
dadurch wird die Reinigung beziehungsweise das Abscheiden von vor
allem großen und schweren Partikeln aus der Flüssigkeit
gefördert.
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Ein ähnlicher
Effekt kann auch dadurch erreicht werden, dass konzentrisch zu der
Verteileinrichtung ein Schirm, bevorzugt ein kegelstumpfförmiger
Schirm vorgesehen ist. Dieser Schirm wirkt ähnlich wie
ein Diffusor, so dass auf das zuvor Gesagte entsprechend verwiesen
wird.
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Um
den Winkel, um den aus der Verteileinrichtung austretende Flüssigkeitsstrahl
umgelenkt werden muss, möglichst groß zu gestalten,
kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen
sein, den unteren Teil des Gehäuses kegelstumpfförmig
oder pyramidenförmig auszubilden. Des Weiteren führt
eine solche Ausbildung des unteren Teils des Gehäuses dazu,
dass die in der Separatorzone koagulierten Verunreinigungen, von
dem Kegelstumpf beziehungsweise des Pyramidenstumpfs zu dem Abzug
für das Retentat geführt werden.
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Vorteilhafterweise
sind in der Separatorzone Leitbleche in einer oder mehreren übereinander
liegenden Ebenen angeordnet. Die Leitbleche führen dazu,
dass die Flüssigkeit, wenn sie aus dem unteren Teil des
Gehäuses in den oberen Teil des Gehäuses aufsteigt,
mindestens eine, bevorzugt jedoch mehrere Richtungsänderungen
vornehmen müssen und infolgedessen die Flüssigkeit
und mit ihr die in ihr befindlichen Verunreinigungen miteinander
vermischt werden. Dadurch geraten eine Vielzahl kleinster Verunreinigungen
miteinander in Kontakt, koagulieren und bilden dadurch größere
Verunreinigungen, die aufgrund des Einflusses der Schwerkraft in
den unteren Teil des Gehäuses absinken.
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Die
Leitbleche können, wenn es sich um ein Gehäuse
mit zylindrischem Querschnitt handelt, in Form von radial angeordneten
Leitblechen oder, falls es sich um ein Gehäuse mit quadratischem
oder rechteckigem Querschnitt handelt, um parallel zu einer Kante
des Gehäuses verlaufenden Leitblechen ausgebildet sein.
Wenn mehrere Ebenen von Leitblechen übereinander angeordnet
sind, empfiehlt es sich, die Leitbleche der verschiedenen Ebenen
so anzuordnen, dass die Flüssigkeit gewissermaßen
einen S-förmigen Weg durch die Leitbleche hindurch nehmen
muss, so dass die Koagulation der Verunreinigungen bestmöglich
unterstützt wird.
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Um
den Betrieb der Vorrichtung steuern und optimieren zu können,
kann sowohl an der Verteileinrichtung, dem Abzug für das
Retentat und/oder dem Abzug für das Permeat Mittel zur
Steuerung des Durchflusses, insbesondere Stromventile bzw. und/oder
eine Pumpe vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, die
Aufteilung des durch die Verteileinrichtung in die Vorrichtung geförderten
Flüssigkeitsstroms so auf den Abzug für das Permeat
und den Abzug für das Retentat aufzuteilen, dass die Leistungsfähigkeit
der Vorrichtung optimiert und die Qualität des Permeats
entsprechend den gewünschten Anforderungen optimal eingestellt
werden kann.
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Selbstverständlich
ist es auch möglich, das Retentat im Kreislauf zu führen,
das heißt einen Teil des Retentats wieder in die Verteileinrichtung
einzukoppeln.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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Es
zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die
einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Querschnitt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, deren unterer
Teil als Kegelstumpf 3 ausgebildet ist. In einem mittleren
Teil des Gehäuses 1 ist eine Separatorzone 5 ausgebildet.
In einem oberen Teil des Gehäuses 1 ist ein Schwimmkornfilter 7 ausgebildet.
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Über
eine Zuleitung 9 wird eine verunreinigte Flüssigkeit
in der sich suspendierte Partikel und andere Verunreinigungen befinden,
einer Verteileinrichtung 11 zugeführt. Die Verteileinrichtung 11 ist
bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel als
vertikal nach unten gerichtetes Rohr mit einem aufgesetzten Schirm 13 ausgebildet.
Am unteren Ende des Gehäuses 1 ist ein Abzug 15 für
das Retentat vorgesehen. An dem oberen Ende des Gehäuses 1 ist
ein Abzug 17 für die gereinigte Flüssigkeit,
nachfolgend auch als Permeat bezeichnet, vorhanden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Über
Die Zuleitung 9 wird die verunreinigte Flüssigkeit
in der Verteileinrichtung 11 zugeführt. Die verunreinigte
Flüssigkeit hat in diesem Stadium einen Verschmutzungsgrad
TS3.
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Dieser
Verschmutzungsgrad TS3 ist sehr hoch und beinhaltet Schwebstoffe,
suspendierte Partikel und andere Verunreinigungen.
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Aufgrund
der Ausrichtung der Verteileinrichtung 11, die vertikal
nach unten zeigt, strömt die solcherart verunreinigte Flüssigkeit
beim Austritt aus der Verteileinrichtung 11 vertikal nach
unten in Richtung des Abzugs 15 für das Retentat.
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Da
die Öffnung des Abzugs 15 so bemessen ist bzw.
durch ein Stromventil oder ein anderes Absperrorgan so eingestellt
wird, dass nicht der gesamte aus der Verteileinrichtung 11 austretende
Flüssigkeitsstrahl direkt in den Abzug 15 strömen
kann, wird der größere Teil der aus der Verteilleitung 11 strömenden
Flüssigkeit an den Wänden des Gehäuses 1 umgelenkt
und steigt nach oben in Richtung der Separatorzone 5.
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Dieser
Strömungsweg ist durch gestrichelte Pfeile 17,
welche stark vereinfacht die Stromfäden der Flüssigkeit
andeuten, dargestellt. Anhand der Stromfäden 17 ist
gut nachvollziehbar, dass ein großer Teil der Flüssigkeit
eine Richtungsänderung von nahezu 180° erfährt.
Aufgrund der Trägheitseffekte werden bei dieser Richtungsänderung
vor allem die schweren und großen in der Flüssigkeit
befindlichen Artikel aus der Flüssigkeit abgeschieden.
Diese Partikel strömen nämlich aufgrund der auf sie
wirkenden Schwerkraft weiter Richtung Abzug 15 für
das Retentat und werden dort kontinuierlich mit einer erhöhten Feststoffkonzentration
TS4 entnommen. Dies bedeutet, dass durch die dynamische Umlenkung
des Flüssigkeitsstrahls unterhalb der Verteileinrichtung 11 eine
erste Reinigung der Flüssigkeit stattfindet.
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Im
Ergebnis führt dies dazu, dass die Flüssigkeit,
welche oberhalb der Verteileinrichtung 11 langsam nach
oben zur der Separatorzone 5 strömt, den Verschmutzungsgrad
TS2 hat. Dabei gilt TS2 < TS3.
Dies ist grafisch in 1 durch eine dunkelgraue Schraffierung
des Pfeils (ohne Bezugszeichen) angedeutet.
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Dies
bedeutet weiter, dass in der Flüssigkeit vor dem Eintritt
in die Separatorzone 5 vor allem noch kleine nicht koagulierte
Verunreinigungen enthalten sind.
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In
der Separatorzone 5 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
insgesamt drei Ebenen 19.1, 19.2 und 19.3 mit
verschieden orientierten Leitblechen 21 vorgesehen. Aus
Gründen der Übersichtlichkeit sind nur wenige
der Leitbleche mit dem Bezugszeichen 21 versehen.
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Es
wird jedoch deutlich, dass die Flüssigkeit beim Durchströmen
der drei Ebenen 19.1 bis 19.3 von Leitblechen 21 in
der Separatorzone 5 eine mehrfache Richtungsänderung
erfährt, was zu einer Durchmischung und Verwirbelung der Flüssigkeit führt.
Infolgedessen geraten eine Vielzahl kleinster in der Flüssigkeit
befindlicher Verunreinigungen miteinander in Kontakt und koagulieren
zu größeren Verunreinigungen. Diese größeren
Verunreinigungen haben im Verhältnis zu den Grenzflächenspannungen zwischen
den Verunreinigungen und der umgebenden Flüssigkeit ein
höheres Gewicht, so dass sie sich von der Flüssigkeit
separieren, und aufgrund des Einflusses der Schwerkraft nach unten
sinken. Dies ist durch einen ersten punktierten Pfeil 23.1 angedeutet. Infolgedessen
wird die Flüssigkeit in der Separatorzone 5 weiter
gereinigt und der Verschmutzungsgrad oberhalb der Separatorzone
TS1 geringer als vor dem Eintritt in die Separatorzone (TS1 < TS2).
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Diese
nun schon sehr weitgehend von den Verunreinigungen gereinigte Flüssigkeit
strömt durch den Schwimmkornfilter 7 und wird
dort noch weiter gereinigt. Der Verschmutzungsgrad der Flüssigkeit vor
dem Eintritt in den Schwimmkornfilter 7 ist mit TS1 bezeichnet
und es gilt TS1 < TS2 < TS3.
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Der
Schwimmkornfilter 7 besteht, wie aus dem Stand der Technik
bekannt, aus einer Vielzahl schwimmfähiger kleiner Kugeln
oder ähnlichem und filtert die verbliebenen Verunreinigungen
aus der Flüssigkeit heraus, wenn diese aus dem Schwimmkornfilter 7 strömt
und dann über den Abzug für das Permeat 17 abgezogen
wird. Dort hat die Flüssigkeit einen nochmals verringerten
Verschmutzungsgrad TS0 und ist für weitere Einsätze,
wie beispielsweise als Brauchwasser, einsetzbar.
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Die
am Schwimmkornfilter 7 abgelagerten Verunreinigungen koagulieren
ebenfalls und sinken, wie durch einen Pfeil 23.2 angedeutet,
ebenfalls von der Schwerkraft angetrieben nach unten und werden über
den Abzug 15 für das Retentat abgezogen.
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Um
die Stoffströme, insbesondere die Fördermenge
der Flüssigkeit, die durch die Zuleitung 11 in
die Vorrichtung gefördert wird, regeln zu können, ist
eine erste Pumpe 25 in der Zuleitung 9 vorgesehen.
Diese ist hinsichtlich ihrer Fördermenge und Leistung steuerbar.
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Am
Abzug 15 wird das Retentat (optional mit einer zweiten
Pumpe 27) mit den Sedimenten und den koagulierten Verunreinigungen
kontinuierlich aus dem Gehäuse 1 abgezogen. Die
Menge des durch 15 abgezogenen Retentats ist deutlich kleiner
als bei dem Abzug 17. Allerdings wird bei 15 das
Retentat kontinuierlich mit einer erhöhten (eingedickten)
Konzentration TS4 abgezogen. Zur Regelung der abgezogenen Retentatmenge
in 15 kann ein ein on-line Feststoffmessgerät
eingebaut werden (nicht dargestellt), dessen Ausgangssignale in
einer Regel- und Steuereinheit (nicht dargestellt) ausgewertet und
zur Regelung der Retentatabzugs in 15 herangezogen werden.
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Durch
die drei Pumpen 25, 27 und 29 ist es möglich,
die Stoffströme innerhalb und Massenströme innerhalb
des Gehäuses 1 entsprechend den Erfordernissen
zu steuern, so dass eine optimale Reinigungswirkung bei gleichzeitig
maximalem Durchsatz erreicht werden kann bzw. maximaler Feststoffkonzentration
TS4.
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Dabei
gilt, dass am Abzug 17 sehr viel mehr Permeat als Retentat
am Abzug 15 abführt wird. Des weiteren gilt, dass
die gesamte bei 9 zugeführte Feststoffmenge bei 15 abgezogen
wird und bei 17 demzufolge keine nennenswerten Feststoffmengen
mehr im Permeat enthalten sind.
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Als
weiteren Sensor könnte man noch das Feststoff-Niveau in
der Verteileinrichtung 11 überwachen und davon
abhängig zusammen mit oben erwähnter Konzentrationsmessung
den Volumenstrom im Abzug 15 auf eine minimale, aber kontinuierliche Entnahme
zu regeln.
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Alternativ
ist es auch möglich, anstelle der beispielsweise der dritten
Pumpe 29 ein Stromventil vorzusehen, das zur Regelung des
Durchflusses im Abzug 17 für das Permeat eingesetzt
wird.
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In ähnlicher
Weise ist es auch möglich, die zweite Pumpe 27 durch
ein Stromventil zu ersetzen und/oder zu ergänzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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