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Misch- und Trennzentrifuge Die Erfindung bezieht sich auf eine Misch-
und Trennzentrifuge, innerhalb deren Vollmanteltrommel zur Trommelachse konzentrische
zylindrische oder annähernd zylindrische Einsätze angeordnet sind, wobei die durch
die Einsätze gebildeten ringförmigen Zwischenräume miteinander in Verbindung stehen
und die Schleudertrommel mit einem Einlaß für das leichte Medium in beträchtlichem
Abstand von der Trommelachse, einem Einlaß für das schwere Medium und einem Auslaß
für das leichte Medium nahe der Trommelachse sowie einem Auslaß für das schwere
Medium nahe dem Trommelumfang versehen ist, wobei sich in den ringförmigen Zwischenräumen
Kanäle schraubenförmig in Richtung von der einen Trommelstirnwand zur anderen erstrecken.
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Misch- und Trennzentrifugen der genannten Art lassen sich mit Vorteil
als Extraktoren oder Verdampfer verwenden. In Extraktoren findet der Kontakt gewöhnlich
zwischen zwei flüssigen Medien und in Verdampfern zwischen einem Gas oder Dämpfen
und einem flüssigen Medium statt.
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Als Extraktionsbeispiel kann die Gewinnung von Antibiotika aus Pilzgärmedien
und das Waschen von Gasen mit Flüssigkeiten genannt werden. Bestimmte Waschverfahren,
beispielsweise das Waschen von aus Mineralölen gewonnenen Paraffinen und von Seife
mit einer Elektrolytlösung, können ebenfalls zu dieser Gruppe gerechnet werden.
Als Verdampfungsbeispiele sind die Einengung von Ablaugen beim Sulfatzellstoffverfahren
und von Zuckerrübensaft zu erwähnen.
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Bei einigen bekannten Zentrifugen sind die Einsätze perforiert. Dies
hat zu dem Nachteil geführt, daß Kurzschlüsse radialer Strömung durch die verschiedenen
Einsatzzwischenräume gebildet werden, so daß ein gleich guter Kontakt zwischen den
verschiedenen Medien nicht über die volle axiale Länge der Einsatzzwischenräume
erzielt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden
und einen verbesserten Kontakt zwischen den Medien dadurch herbeizuführen, daß diese
einander über einen längeren Weg bestreichen, als es bisher innerhalb eines entsprechenden
Raumes in einer Zentrifuge der genannten Art möglich war. Dies wird im wesentlichen
dadurch erreicht, daß die Querschnittfläche der Kanäle zum Trommelumfang hin abnimmt.
Hierdurch werden die Medien gezwungen, durch die jeweiligen Zwischen- oder/und Ringräume
über deren volle axiale Länge und längs einer schraubenförmigen Bahn zu strömen,
bevor sie in den nächsten Zwischenraum gelangen. Durch entsprechende Steigung des
schraubenförmigen Kanals kann dessen Länge in der gewünschten Weise gegenüber der
axialen Länge des Zwischenraumes vergrößert werden. Die vergrößerte Länge beträgt
in der Praxis ein Vielfaches der axialen Länge.
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Die Behandlungswirkung hängt im wesentlichen von der Verwirbelung
ab, welche die Medien verursachen, wenn sie aneinander vorbeistreichen. Bei zwei
Medien wird in der Grenzschicht eine Vermischung dieser beiden Medien erzielt. Je
höher die Geschwindigkeitsgefälle sind, desto stärker ist die Vermischungswirkung
und damit die Extraktionswirkung. In den näher am Umfang liegenden Teilen der Schleudertrommel
ist jedoch die Trennwirkung stärker, weil die Fliehkraft größer ist als in den Mittelteilen.
Dies bedeutet, daß die Vermischungswirkung in den Umfangsteilen der Schleudertrommel
durch die Fliehkraft eine stärkere Gegenwirkung erfährt, weil dort die Trennwirkung
größer als in der Trommelmitte ist. Infolgedessen müssen die Strömungsgeschwindigkeiten
der beiden Medien in den Umfangsteilen der Schleudertrommel entsprechend höher gehalten
werden, wenn die gewünschte Behandlungswirkung erzielt werden soll. Dies kann dadurch
erreicht werden, daß die Querschnittfläche der Kanäle zum Trommelumfang hin verringert
wird. Diese Verringerung kann auf zweierlei Weise vorgenommen werden. Entweder werden
die Abstände zwischen den Einsätzen zum Trommelumfang oder die Steigung der schraubenförmigen
Kanäle in den Zwischenräumen zum Trommelumfang hin verringert. Es ist
vorteilhaft,
beide Maßnahmen miteinander zu kombinieren.
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Für die Behandlung schlammhaltiger Medien kann es zweckmäßig sein,
die Einsätze in kegeliger Form mit im wesentlichen gleichem Kegelwinkel auszubilden,
um das Gleiten des abgetrennten Schlammes längs der Einsatzflächen nach außen zum
Trommelumfang zu erleichtern. In diesem Fall werden die kegeligen Einsätze in der
Schleudertrommel derart angeordnet, daß ihre schmalen Enden mit ihren breiten Enden
an der gleichen Trommelstirnwand abwechseln, so daß der Schlamm, axial gesehen,
in einem geneigten Zickzackweg nach außen zum Trommelumfang folgt. Hierbei ist es
zweckmäßig, dem schraubenförmigen Kanal eine solche Steigung zu geben, daß seine
Querschnittfläche konstant bleibt. Auf diese Weise bleiben die Strömungsgeschwindigkeiten
über den ganzen Zwischenraum unverändert.
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Obwohl es theoretisch möglich ist, den Erfindungsgedanken auf eine
Zentrifuge zu übertragen, in welcher zwei oder mehrere Zwischenräume parallel laufen,
ist es für eine gute Behandlungswirkung zweckmäßig, die Zwischenräume in Reihen
anzuordnen, so daß ein langer Behandlungsweg erzielt wird. Die erforderlichen Verbindungsöffnungen
werden in diesem Fall an den Stirnseiten der Einsätze vorgesehen. Mit Rücksicht
auf den erhöhten Strömungswiderstand an den Verbindungsöffnungen ist es notwendig,
daß die Öffnungen an einer Stirnseite zusammen mindestens die gleiche Querschnittfläche
wie die eines Kanals haben.
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Der Austritt eines Mediums aus der Zentrifuge soll so frei wie möglich
von dem anderen Medium sein. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, am Ende des Strömungsweges
jedes Mediums Reintrennungszonen vorzusehen. Diese können dadurch geschaffen werden,
daß der Einlaß für das leichte Medium in einen Zwischenraum mündet, der sich in
einem Abstand von einem oder mehreren Zwischenräumen vom Trommelumfang befindet,
während der Einlaß für das schwere Medium in einen Zwischenraum mündet, der sich
in einem Abstand von einem oder mehreren Zwischenräumen von der Trommelachse befindet.
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Die schraubenförmigen Kanäle können durch Bänder gebildet werden,
die an den Einsätzen angeordnet, beispielsweise mit ihrer Innenseite oder Außenseite
verschweißt sind. Es ist jedoch einfacher, die schraubenförmigen Bänder in die ringförnnigen
Zwischenräume lose einzusetzen und ihre Enden an den Einsätzen zu befestigen. In
diesem Fall muß das Band mit seiner Breite den vollen Abstand zwischen benachbarten
Einsätzen ausfüllen, so daß die verschiedenen Medien wirklich dem Kanal folgen.
Wenn dies nicht geschieht, entstehen zwischen den Bandkanten und den Einsatzwänden
Spalte, durch welche ein einer Einsatzwand folgendes Medium Kurzschlußwege zur anderen
nimmt, so daß keine nutzbare Vermischung der verschiedenen Medien eintritt.
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Damit die gewünschte Schichtbildung der Medien in den Kanälen in der
beabsichtigten Weise eintreten kann, ist es zweckmäßig, die Verbindungsöffnungen
mit Überlaufauslässen zu versehen, die sich auf einer Höhe mit einem radialen Abstand
nach innen in die jeweiligen Zwischenräume befinden.
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Der Kontakt, in welchen die beiden Medien miteinander kommen, kann
dadurch verbessert werden, daß an bestimmten Stellen eine zusätzliche Verwirbelung
der Medien erfolgt. Diese kann dadurch bewirkt werden, daß die schraubenförmigen
Elemente, welche die Kanäle bilden, mit Öffnungen versehen werden, welche zweckmäßigerweise
in der Mitte dieser Elemente liegen. Die verschiedenen Medien strömen unter Wirbelbildung
in entgegengesetzten Richtungen durch die Öffnungen. Die Öffnungen bilden jedoch
auch Kurzschlüsse für die beiden Medien, so daß der wirksame Kanalweg verkürzt wird.
Dem kann dadurch begegnet werden, daß die Steigung in den schraubenförmigen Kanälen
geringer gemacht wird.
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Bei den genannten Verbindungsöffnungen zwischen den Zwischenräumen
wurde angenommen, daß die Medien durch diese gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung
hindurchtreten. Wenn jedoch die Medien in die verschiedenen Zwischenräume ohne eine
Vermischungswirkung strömen sollen, können die Verbindungsöffnungen so angeordnet
werden, daß sie mit einem radialen Abstand in die jeweiligen Zwischenräume münden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigen F i g. 1 und 2 die rechte Hälfte eines axialen Schnittes
durch die erfindungsgemäß ausgebildete Zentrifuge und F i g. 3 einige Einzelheiten
in größerem Maßstab. Die Vollmantelschleudertrommel ist mit 1 bezeichnet. Sie ist
mit einem Deckel 2 versehen, welcher durch einen Ring 3 gehalten wird. Die Schleudertrommel
1 ist auf einer vertikalen Trommelwelle 4 angeordnet. Die Trommelwelle kann aber
auch horizontal angeordnet sein. Im Trommelinneren sind zylindrische Einsätze 5
zwischen den Stirnwänden 6 und 7 mit Abständen voneinander angeordnet, die zum Trommelumfang
hin abnehmen. Die durch die Einsätze gebildeten Zwischenräume 8 stehen durch an
deren Enden vorgesehene Öffnungen miteinander in Verbindung.
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Das leichte Medium wird durch einen Kanal 10
eingeleitet, der
durch das Innere eines Rohres 11 gebildet wird, das in die hohle Trommelwelle
4 konzentrisch eingesetzt ist. Aus dem Kanal 10 tritt das leichte Medium
in einen Zwischenraum 12 zwischen der Stirnwand 6 und einer Platte 13 ein
und wird in diesem durch radiale Flügel nach außen zu den Bohrungen 14 in
der Stirnwand 6 gefördert. Die Bohrungen 14 führen in den zweitäußersten
Zwischenraum B. Das schwere Medium wird durch einen Kanal 15 eingeleitet, der einen
ringförmigen Querschnitt aufweist und durch den Deckel 2 und die Stirnwand 7 gebildet
wird und in den zweitinnersten Zwischenraum 8 über Bohrungen 16 in der Stirnwand
7 führt.
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Die Medien treten durch die verschiedenen Zwischenräume 8 im Gegenstrom
hindurch, wobei das leichte Medium in jedem Zwischenraum eine innere zylindrische
Schicht und das schwere Medium eine äußere zylindrische Schicht bildet. Durch die
Öffnungen 9 strömen die Medien in zueinander entgegengesetzten Richtungen, so daß
das leichte Medium von Zwischenraum zu Zwischenraum radial nach innen wandert, während
das schwere Medium durch die verschiedenen Zwischenräume in der entgegengesetzten
Richtung hindurchtritt.
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Schließlich wird das leichte Medium in einem Raum 17 gesammelt, der
durch den innersten zylindrischen Einsatz gebildet wird, und über einen Kanal 19
mit Hilfe von Flügeln 18 ausgetragen, die im Raum 17
vorgesehen sind.
Im innersten Zwischenraum 8 sowie
im Raum 17 findet eine Reintrennung
des leichten Mediums statt. Die Trennwirkung kann verbessert werden, wenn die Flügel
18 durch einen Satz konischer Teller ersetzt werden. Das schwere Medium wird andererseits,
nachdem es durch alle Zwischenräume 8 hindurchgetreten ist, im äußersten Zwischenraum
und im Raum 20 zwischen dem äußersten zylindrischen Einsatz und der Innenwand der
Schleudertrommel rein getrennt. Hierauf nimmt das schwere Medium seinen Weg an der
Außenkante 21 der Platte 13 vorbei und strömt durch den Zwischenraum 22, der durch
die Platte 13 und den Trommelboden gebildet wird, und durch einen Kanal 23 nach
außen, der einen ringförmigen Querschnitt aufweist und durch die Trommelwelle 4
sowie durch das Rohr 11 gebildet wird.
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Der Zwischenraum 22 kann mit radialen Flügeln versehen sein, welche
das Medium nach innen zur Trommelwelle 4 fördern. Die Kanäle 10 und
15 sowie 19 und 23 können dadurch hermetisch abgeschlossen werden,
daß sie durch an sich bekannte Dichtungen mit festen Rohrleitungen verbunden werden.
Dadurch können die Medien mit Hilfe von Pumpen unter Druck eingeleitet werden.
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Wenn in den Zylinderwänden lediglich einfache Öffnungen 9 vorgesehen
sind, können die Zwischenräume 8 praktisch nur mit dem einen oder anderen Medium
gefüllt werden. Hinsichtlich des Wirkungsgrades einer in der Schleudertrommel durchgeführten
Extraktion ist dies weniger wünschenswert. Aus diesem Grund können überlauföffnungen
für das eine Medium oder für beide Medien in der Nähe der Öffnungen 9 vorgesehen
werden, so daß eine bestimmte Schichtdicke für das eine Medium oder für beide Medien
in jedem Zwischenraum 8 sichergestellt ist. Für diesen Zweck sind ringförmige Bänder
24 vorgesehen, welche an der Innenseite und/oder an der Außenseite der zylinderförmigen
Einsätze angeordnet sein können und sich längs deren Umfang erstrecken.
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Um die Extraktion zu intensivieren, wird ein langer Kontaktweg zwischen
den Medien durch Bänder 25 gebildet, die in die Zwischenräume 8 eingesetzt werden
und sich schraubenförmig längs des Umfanges der zylindrischen Einsätze von einer
Trommelstirnwand zur anderen erstrecken. Da die durch die Fliehkraft auf die Medien
ausgeübte Trennwirkung zum Trommelumfang zunimmt, muß die Querschnittfläche der
schraubenförmigen, durch die Bänder gebildeten Kanäle 26 in den äußeren Zwischenräumen
8 kleiner und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Medien höher sein, wenn eine
gleich intensive Vermischung der Medien und damit eine gleich gute Extraktion in
allen Zwischenräumen erzielt werden soll, da die im Sinne einer Vermischung der
Medien wirkenden Kräfte infolge der auf diese Weise erhöhten Geschwindigkeitsgefälle
zwischen den Medien zunehmen, wodurch ein Gegengewicht für die erhöhte Trennwirkung
erzielt wird. Die verringerten Zylinderabstände allein machen den Kanalquerschnitt
kleiner, jedoch kann zusätzlich hierzu der Kanalquerschnitt durch eine verringerte
Steigung der schraubenförmigen Bänder weiter herabgesetzt werden. Die Bänder können
in den Raum 20 in der gleichen Weise wie die Bänder 25 in den Zwischenräumen
8 eingesetzt werden.
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F i g. 2 zeigt eine Ausführungsforn-4 die zur Behandlung eines schlammhaltigen
Mediums mit einem anderen geeignet ist. Bei dieser Ausführungsform, die der Ausführungsform
nach F i g. 1 im wesentlichen ähnlich ist, sind die zylindrischen Einsätze 5 durch
geringfügig konische Einsätze 27 ersetzt. Die breiten und schmalen Enden dieser
Einsätze sind wechselweise an der gleichen Stirnwand 6 bzw. 7 eingesetzt, so daß
der Schlamm, von dem angenommen wird, daß er schwerer als das schwere Medium ist,
durch die Strömung des schweren Mediums längs einer Zickzackbahn über die Oberflächen
der Einsätze 27 von der Einlaßbohrung in der Stirnwand 7 und aus der Öffnung 9 im
äußersten Einsatz heraus mitgenommen wird. Von dieser Stelle aus wird der Schlamm
längs der Innenseite der Schleudertrommel bis zur Außenkante 21 befördert und von
dem schweren Medium durch die Kanäle 22 und 23 hindurch mitgenommen.
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Da es wünschenswert ist, die Strömungsgeschwindigkeit in demselben
Zwischenraum 8 annähernd gleichmäßig zu halten, muß die Bandsteigung infolge der
Konizität der Einsätze 27 verändert werden, und zwar derart, daß die Steigung in
dem breiteren Teil der jeweiligen Zwischenräume kleiner wird, so daß die Kanalquerschnittfläche
in ein und demselben Zwischenraum im wesentlichen konstant bleibt.
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Die Öffnungen 9 sind um den Umfang der Einsätze herum verteilt. Wenn
ihre Zahl ausreichend groß gehalten wird, kann die Summe der Querschnittflächen
der Öffnungen mindestens ebenso groß wie die Querschnittfläche eines der Kanäle
gemacht werden, die sie verbinden. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Kanäle
in den verschiedenen Zwischenräumen ineinander ohne Drosselstellen übergehen können.
Beispielsweise kann bei einer niedrigen Grenzspannung zwischen den beiden Medien
eine zu intensive Vermischung an den Stirnwänden die unerwünschte Bildung einer
Emulsion verursachen, welche schwierig aufzuspalten ist.
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F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, mit der eine Gegenwirkung gegen
eine solche Emulsionsbildung beabsichtigt ist und ein vermischungsfreier Lauf der
Medien zum benachbarten Zwischenraum erzielt wird. Bei den vorher beschriebenen
Ausführungsformen waren die verschiedenen Medien gezwungen, aneinander in entgegengesetzten
Richtungen durch die Öffnungen 9 hindurch vorbeizutreten, so daß sie miteinander
vermischt werden. Wenn dies vermieden werden soll, müssen die Öffnungen 9 derart
angeordnet werden, daß sie mit radialem Abstand in die jeweiligen Zwischenräume
mittels Rohrstutzen 32, Flansche od. dgl. münden. Da sich die Rohrstutzen 32 wechselweise
von der einen oder der anderen Seite eines zylindrischen Einsatzes 5 erstrecken,
ist sichergestellt, daß das eine der beiden Medien über die entsprechende Mediumschicht
im benachbarten Zwischenraum strömt, ohne mit dem anderen Medium wesentlich vermischt
zu werden. Der vermischungsfreie Verlauf wird noch mehr gesichert, wenn gleichzeitig
darauf geachtet wird, daß feste Mediumspiegel in den Zwischenräumen 8 mit Hilfe
der bereits genannten Bänder 24 aufrechterhalten werden.
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Es ist ferner möglich, in die Zentrifuge ein drittes Medium einzuleiten,
das in dem einen der beiden anderen Medien oder in beiden löslich ist. Die Zuführung
des dritten Mediums erfolgt in einen Einsatzzwischenraum, der sich zwischen den
Zwischenräumen befindet, in die die anderen Medien eingeleitet werden. Diese Ausführungsform
kommt beispielsweise
in Betracht, wenn es sich um eine Extraktrückführung
bei der Raffination von Schmierölen mit selektiven Lösungsmitteln handelt.
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Ferner ist zu erwähnen, daß es bei schlammhaltigen Medien zur Erleichterung
der Wegführung des Schlammes aus der Schleudertrommel zweckmäßig sein kann, die
Trommelwand mit Austrittsdüsen zu versehen.