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Verfahren und Vorrichtung C
zum Abscheiden von ungelösten Teilen
aus Flüssigkeiten Bei der Reinigung von Flüssigkeiten liegt oft das Problem vor,
daß Flüssigkeiten gleichzeitig durch Leicht- und Schwerstoffteilchen verunreinigt
sind und daß die Schwerstoffteilchen wenn es sich um Feststoffe handelt, Korngrößenunterschiede
im Verhältnis von 1 - 10 000 und mehr besitzen. Die Trennung dieser Flüssigkeitsverunreinigungen
soll in einem Verfahren und einer Vorrichtung gleichzeitig auf engstem Raum durchgeführt
werden. Dies ist notwendig, da die verunreinigten Flüssigkeiten vielfach sehr tief
unter der Erdoberfläche anfallen und großflächige Flachabsetzbecken wegen ihrer
sehr hohen Kosten unwirtschaftlich sind oder wegen des nicht zur Verfügung stehenden
Platzes nicht ausgeführt werden können.
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Die Flachbecken können auch nicht gleichzeitig sehr große und sehr
kleine Schwerstoffteilchen in einem Absetzraum zum Ausscheiden bringen, da sich
die großen Schwerstoffteilchen bereits in den Verteilerrinnen und vor den Prallwänden
absetzen. Besondere »Sandfänger« für große Schwerstoffteile sind vorgeschaltet,
wodurch die Anlage räumlich vergrößert und verteuert wird.
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Die bisher bekannte Form einer Absonderung auf kleinem Raum geschieht
durch den sogenannten Hydrozyklon (gemäß der Veröffentlichung in der Zeitschrift
»Stahl und Eisen« Jg. 1958, Heft 4 vom 20. 2. 1958, die der Patentauslegeschrift
1029 801
zugrunde gelegt wurde). In dieser Patentauslegeschrift ist jedoch
der Name Hydrozyklon nicht mehr erwähnt worden, da offensichtlich - wie nachfolgend
noch ausgeführt wird - eine Zyklonwirkung in einem solchen Becken überhaupt
nicht vorhanden ist. Entsprechend der Veröffentlichung soll jedoch dieses Becken
zur Kennzeichnung als Hydrozyklon bezeichnet werden, Gegenüber der Erfindung weist
jedoch dieses Hydrozyklon folgende Nachteile auf (zur Erläuterung Zeichnung Abb.
1).
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1 . Der Hydrozyklon setzt ein ungeteiltes Becken voraus, in
dem ohne Trennwand neben der Rotation auf- und abwärts gerichtete Flüssigkeitsströme
gleichzeitig auftreten und in dem die schweren Teile zur Mitte wandern sollen.
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Die Schwerteile müssen bei ihrer Wanderung zur Mitte immer durch eine
Aufwärtsströmung kornmen, wodurch das Absetzen verzögert oder ganz verhindert wird.
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Leichte Teile kommen in eine Abwärtsströmung, so daß deren Ausscheiden
behindert wird. 2. Der Hydrozyklon hat zur Voraussetzung, daß der Flüssigkeitseintritt
sehr tief unter dem Flüssigkeitsspiegel, etwa in halber Beckenhöhe, geschieht (Abb.
1). Damit ist jedoch der über der Eintrittsöffnung liegende Beckeninhalt
für die Abscheidung nutzlos verloren.
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3. Die Einführung durch ein unzugängliches dückerföriniges
Rohrstück erschwert die Wartung. Bei sehr unterschiedlich anfallenden Flüssigkeitsmengen
wie in Walzwerken bei Abspritzvorgängen und Regenbeimengungen muß der Rohrquerschnitt
auf die größte Flüssigkeitsmenge abgestimmt werden, so daß sich die Geschwindigkeit
in dem Dückerrohr bei Trockenwetterabfluß oder Niedrigstmengen so stark verringert,
daß eine Abscheidung großer Teilchen bereits in diesem Rohrstück erfolgt, was
zu Betriebsstörungen führen kann. An einem bereits ausgeführten Hydrozyklon
mußte deshalb das Dückerrohr abgebrochen und durch einen zugänglichen Einlaufabsturz
ersetzt werden. Damit wurde jedoch das System auf eine Vorrichtung zurückgeführt,
die von den Erflndern als unwirksam bezeichnet wird.
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Bei großen Geschwindigkeiten der Flüssigkeit werden beim Übergang
von offenem Gerinne zum Dückerrohr vielfach Luftblasen mitgerissen, die im Becken
aufsteigen und Veränderungen in der Vertikalströmung des Beckens ergeben.
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4. Wenn ein Abscheiden nach dem Prinzip des Hydrozyklons durchgeführt
wird, so setzt dies voraus, daß die Flüssigkeitsrotation mit einer großen Geschwindigkeit
vor sich gehen muß.
Dies bedeutet, daß- die kinetische Energie der
ankommenden Flüssigkeit meist nicht ausreicht, die nötige Rotationsgeschwindigkeit
zu erzielen. So liegt zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch kein eindeutiger Beweis
dafür vor, daß bei der in der Praxis auftretenden Rotationsgeschwindigkeit die Abscheidung
überwiegend durch die Zyklonbewegung erfolgt. Aus diesem Grunde muß vielfach durch
eine wesentliche Absenkung des Beckenspiegels gegenüber dem Einlauf ein zusätzlicher
hydrostatischer Druck geschaffen werden, durch den über die zusätzlich vorhandene
düsenförmige Verengung am Eintritt eine Flüssigkeitsbeschleunigung erzeugt wird,
die jedoch im Becken eine erhebliche Flüssigkeitsturbulenz bewirkt, was nachteilig
für den Absetzvorgang ist. Die Verwendung eines zusätzlichen Druckgefälles
kostet Energie, die nachträglich durch erhöhte Pumpkosten wieder ausgeglichen werden
muß. Die Anordnung der Düse am Einlauf unterliegt einem hohen Verschleiß, die Wartung
ist während des Betriebs nicht möglich.
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5. Eine gleichmäßige Rotationsgeschwindigkeit kann nur
erreicht werden, wenn der Flüssigkeitszulauf weitgehend gleich stark ist. Bei Zulaufschwankungen
im Verhältnis bis zu 1: 10, z. B. bei Sinterabsetzanlagen, ergibt sich für
Trockenwasseranfall oder Geringstanfall nicht mehr die nötige Rotationsenergie,
wodurch die Wirkungsweise des Hydrozyklons in Frage gestellt wird. Da die zur Rotation
der Flüssigkeit nötige Energie in der Praxis nicht beliebig gesteigert werden kann,
muß auch das Beckenvolumen und vor allem der Beckendurchmesser gering gehalten werden.
Dies wirkt sich jedoch auf die Größe des Absetzraumes aus, wodurch die vertikalen
Flüssigkeitsgeschwindigkeiten sehr groß werden. Ein Absetzen feiner Teile kann damit
behindert oder sogar verhindert werden.
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Der Raum für die bereits abgesetzten Schwerstoffe geht dem- Flüssigkeitsinhalt
verloren, bei kleinerem Beckeninhalt ist auch die Absetzmenge begrenzt, so daß in
sehr kurzen Abständen die Räumung der abgesetzten Stoffe erfolgen muß.
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6. Hohe Rotationsgeschwindigkeiten bewirken einen starken Abrieb
und Angriff der Beckenwände, wodurch- vielfach besonders teure Verkleidungen notwendig
werden.
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7. Das Abscheiden der Leichtstoffe erfolgt gegen die Vertikalströmung,
wodurch das Abscheiden behindert wird. Die tiefe Einführung der Flüssigkeit erschwert
das Hochschwimmen. Durch die Einlaufdüse werden die bereits auf der Oberfläche in
offenen Gerinnen schwimmenden Leichtstoffe wieder mit der Flüssigkeit und den Schwerteilen
in einer besonders stark turbulenten Strömung vereinigt, g so daß die Bildung von
Emulsionen aus Leicht- und Schwerstoffen zusammen mit der Flüssigkeit eintreten
kann, was den Ausscheidungsprozeß behindert oder gar verhindert.
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8. In Fällen, in denen Schwerstoffe in der Größenordnung von
mehreren Zentimetern Durchmesser bis zu wenigen Tausendstelmillimetern gleichzeitig
aus der Flüssigkeit ausgeschieden werden sollen (Verhältnis. 1 : 10 000),
ergibt der Hydrozyklon sehr unterschiedliche Beschleunigungen der Schwerstoff--,
so daß verschieden Horizontal-und Vertikal-cschwindigkeiten im Becken auf-C treten,
wodurch eine gegenseitige Behinderung beim Ausscheiden der einzelnen Größenstufen
der Schwerteile erfolgen kann.
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9. In Fällen, bei denen die Flüssigkeiten mit stark wechselnden
Temperaturen in das Becken eintreten, entstehen beim Hydrozyklon gegen die Normalströmung
gerichtete Vertikalströmungen, die den Abscheidungsvorgang behindern, z. B. beim
Abspritzen von Walzzunder heizt sich die Flüssigkeit durch das heiße Walzgut und
den Walzzunder gegenüber anderen anfallenden Flüssigkeiten stark auf. Diese heißen
Flüssigkeitsmassen treffen als besonderer Flüssigkeitsschwall im Becken ein, sie
bilden nach oben strömende sogenannte »Temperaturwolken«, die in dem Becken ohne
Führung der Flüssigkeiten in nach oben und unten gerichtete Ströme eine starke vertikale
Turbulenz erzeugen, die den Absetzvorgang behmdert.
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Die vorgenannten Nachteile des Hydrozyklons sollen erfindungsgemäß
vermieden werden.
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Die Erfindung sieht ein zylindrisches Becken vor mit klarer Trennung
des Beckenraumes in eine Absetzzone und eine Auslaufzone. Grundsätzlich sollen die
in der Zuflußrinne bereits an der Oberfläche schwimmenden Leichtstoffe auch nicht
durch dückerartige Einführung oder Prallwände mit der übrigen Flüssigkeit vermengt
oder durchwirbelt werden, sondem diese Leichtstoffe bleiben an der Oberfläche, indem
die Flüssigkeit auf die Oberfläche des Beckenraumes aufgetragen wird. Damit ist
auch gleichzeitig die Kontrolle und die Zugänglichkeit zur Abflußrinne bis zum unmittelbaren
Beckeneintritt auch während des Betriebes gewährleistet.
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Durch die taugentiale Einleitung der Flüssig-keit dergestalt, daß
die horizontale Komponente um ein Mehrfaches größer ist als die sich physikalisch
einstellende vertikale Komponente, wird die Flüssigkeit in eine Kreisströmung versetzt,
wodurch die punktförmig eingeleitete Flüssigkeit über den Beckenraum so verteilt
wird, daß der gesamte Beckenraum gleichmäßig beaufschlagt wird. (Abb. 2 zeigt, wie
sich jede neu hinzukommende Flüssigkeitsströmung schrauben-oder spiralförmig auf
die vorhandene Flüssigkeit aufträgt. In der Abb. 2 sind die aufeinanderliegenden
Flüssigkeitsströme zur besseren Kenntlichmachung auseinandergezeichnet.) Eine unkontrollierte
Flüssigkeitsströmung, wie sie in einem ungeteilten Becken möglich ist, kann somit
nicht auftreten. Die Leichtstoffe selbst können nicht in den Auslaufteil gelangen.
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Durch die Bemessung des Absetzraumes ist es möglich, die vertikale
Flüssigkeitsgeschwindigkeit so klein über den ganzen Absetzraum zu halten, daß die
Auftriebsgeschwindigkeit der Leichtstoffe größer ist, so daß sich die Leichtstoffe
an der Oberfläche sammeln.
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Die Schwerstoffe erhalten zusätzlich zu ihrer eigenen Sinkgeschwindigkeit
noch die Komponente der vertikalen Flüssigkeitsströmung, so daß die Schwerstoffteilchen
schneller sinken als in einem nur horizontal durchströmten Absetzbecken.
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Es ist deshalb möglich, die Flüssigkeit auf kürzerem Wege in der Absetzzone
seitlich abzulenken-, es genügt, wenn die horizontale Ablenkgeschwindigkeit der
Flüssigkeit kleiner ist als die Vertikalgeschwindigkeit der abzuscheidenden Schwerstoffteilchen,
um ein sicheres Abscheiden zu gewährleisten.
Abb. 3 bis
7 zeigen beispielhaft das Absetzverfahren sowie die einzelnen Vorrichtungen.
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Die beim Flüssigkeitseintritt entstehende Turbulenz wird in der Zone
1 ausgeglichen. Diese Zone ist jeweils so groß auszubilden, daß auch bei
sehr gerin-CY n Ce Flüssigkeitsmengen eine volle Verteilung über die Zone
1 möglich ist. Dies ist in Normalfällen ohne besondere Vergrößerung der Zone
1 der Fall, da bei geringem Flüssigkeitsanfall zwar auch die Umlaufgeschwindigkeit
geringer ist, gleichzeitig jedoch auch die Zeit wesentlich größer ist, in der die
jetzt viel flachgängigere Schraubenbewegung die Zone in vertikaler Richtung verläßt.
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Erfindungsgemäß hat der Flüssigkeitsumlauf die Aufgabe, eine straffe
Führung der Flüssigkeit hinsichtlich ihrer anteiligen vertikalen Komponente zu erzielen
und die Turbulenz in vertikaler Richtuna, C verkleinern. Flüssigkeiten mit unterschiedlicher
Temperatur werden in dieser Zone 1 vergleichmäßigt, und die in dieser Zone
auftretende Vermischung verschieden warmer Flüssigkeiten ermöglicht eine gleichmäßig
in den Absetzraum verlaufende vertikale Flüssigkeitsströmung.
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Der Eintritt der Flüssigkeit mit voller Geschwindigkeit hat den Vorteil,
daß die Schleppkraft besonders für die schweren Teile gleich groß bleibt und somit
ein Abscheiden dieser Teile bereits vor dem Absetzraum vermieden wird.
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Der Eintritt der Flüssigkeit auf den Flüssigkeitsspiegel begünstigt
besonders das Abscheiden von Leichtstoffen, die bereits in der Zulaufrinne oberflächennah
schwimmen und beim Eintritt in das Becken ebenfalls an der Oberfläche bleiben.
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Da das Einlaufbecken vom Auslaufbecken durch eine Trennwand 2 oder
ein zwischengeschaltetes Pumbecken 3 völlig getrennt ist, können Leichtstoffe
nicht in die Auslaufzone mitgerissen werden. Die Umlaufbewegung befördert die Leichtstoffe
zwangläufig auf die Rückseite des Flüssigkeitseintrittes, wo sie in einfacher Form
4 ohne maschinelle Apparatur abgezogen werden können.
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Die Absetzzone 5 zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus,
daß die Schwerteilchen in sie bereits mit einer vertikalen Flüssigkeitsgeschwindigkeit
eintreten. Hinzu kommt die zusätzliche eigene Vertikalgeschwindigkeit aus der Schwerkraft
gegenüber der Flüssigkeit.
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Die Vertikalgeschwindigkeit der Schwerteile ist somit größer als beim
Absetzvorgang aus der Schwerkraft allein, wie sie bei den Flachbecken vorherrscht.
Es ist folglich möglich, die Flüssigkeit auf kürzerem Weg in horizontaler Richtung
abzuführen, da durch die Massenträgheit die Schwerteile weniger seitlich abgelenkt
werden und somit ein steilerer Verlauf des Absetzweges der Schwerteile vorliegt
als beim Flachbecken mit nur horizontaler Flüssigkeitsströmung.
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Die Schwerteile setzen sich weitgehend an der Schrägwand des Absetzraumes
ab, während die Flüssigkeit langsam in Querrichtung zur Auslaufzone strömt.
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Der untere Querschnitt der Absetzzone 5 soll nicht wesentlich
größer als der Querschnitt der Umkehrzone 6 sein, um eine Beschleunigung
der Flüssigkeit und ein Mitreißen von Schwerteilen zu vermeiden.
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Die Ablaufzone 7 kann jedoch nach oben verhältnismäßig schnell
verkleinert werden, da für das Ab-
scheiden der Schwerteile der untere Querschnitt
der Umkehrzone maßgebend ist. Kleinstteile, deren Ab-
setzgeschwindigkeit
kleiner ist als die Aüfwärtsgeschwindigkeit in der Umkehrzone 6, werden nicht
ausgeschieden, wenn sie sich nicht schon vorher abgeschieden haben, sondern sich
in Zone 6 befinden. Die Ablaufzone 7 kann deshalb wesentlich kleiner
als Zone 6 gemacht werden, da dies auf den Absetzprozeß keinen Einfluß hat.
Ebenso kann der Auslauf 8
durch wenige Öffnungen erfolgen, bei denen
die Geschwindigkeit der Flüssigkeit nicht wie bei anderen Beckensysternen besonders
gering gehalten werden muß, da auf abzuscheidende Leichtstoffe keine Rücksicht genommen
werden muß und besondere Tauchwände, die bei allen übrigen Systemen zum Abscheiden
von Leichtstoffen verwandt werden, Überflüssig sind. Die Ablaufzone 7 muß
nur so groß gehalten werden, daß ein Entleeren der abgesetzten Stoffe durch Greifer
oder andere mechanische Mittel möglich ist, und zwar durch Schacht 9.
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Erfindungsgemäß genügt zur Trennung der beiden Zonen, in denen nur
eine aufwärts bzw. abwärts gerichtete Strömung auftritt, eine Trennwand 2, zweckmäßig
ist jedoch die Trennzone so weit zu verbreitern, daß zwischen beiden Zonen ein besonderes
Becken 3
geschaltet wird, aus dem durch tiefliegende bzw. selbstabsaugende
Pumpen oder andere Vorrichtungen die gereinigte Flüssigkeit befördert wird.
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Der erfindungsgemäße Einlauf der Flüssigkeit auf die Oberfläche der
Beckenflüssigkeit macht es möglich, durch Umsetzen der Trennscheibe 10 die
ankommende Flüssigkeit direkt in den Ablauf bzw. in das Pumpbecken 3 zu leiten,
so daß eine Reinigung und Entleerung des Absetzraumes auch während des Betriebes
möglich ist, wenn, wie z. B. bei ständigem Zufluß von Kühlwasser, der Zufluß nicht
außer Betrieb genommen werden kann.
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In besonderen Fällen, bei denen der Schacht 9 besonders groß
ausgebildet ist, kann die Flüssigkeit auch ringförmig in die Innenzone eingeführt
werden und die Flüssigkeitsströmung in umgekehrter Richtung erfolgen (Abb.
8), wodurch jedoch der erfindungsgemäße Flüssigkeitseintragungs- sowie der
Absetzvorgang in allen Phasen voll erhalten bleibt.