DE2310576B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen fester Bestandteile eines Schlammes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen fester Bestandteile eines Schlammes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3 berücksichtigte nächstkommende Stand der Technik entspricht der DD-PS 54 706. Dort wird der Schlamm in horizontalen Wärmetauscherrohren eingefroren und wieder aufgetaut, wobei jeweils eine ganze Charge durch einen Kolben in flüssigem Zustand in die Wärmetauscherrohre hineingedrückt bzw. aus diesen herausgezogen wird. Der Schlamm erstarrt in den Wärmetauscherrohren zu massiven, horizontal ausgerichteten Zylindern. Nach Ausfrieren der der Wärmetauscherwand am nächsten benachbarten Schlammschicht hat man einen schlechten Wärmeübergang zu den noch ungefrorenen, zentralen Schlammassen. Das Frieren des Schlammes dauert somit lange und erfordert die Einstellung eines großen Temperaturgradienten an der Wärmetauscherwand und damit auch hohe Leistung der verwendeten Kühlanlage.

Durch die Erfindung soll dagegen ein Verfahren zum Abtrennen fester Bestandteile eines Schlammes geschaffen werden, das mit besserem Wirkungsgrad

ίο arbeitet und bei dem insbesondere ein verbesserter Wärmeübergang zu dem noch nicht gefrorenen Schlamm sichergestellt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der längs der Wärmetauscherwände jeweils absinkende Schlammfilm abgekühlt, bis an einer Stelle der Wärmetauscherwand das Einfrieren einsetzt. Der noch nicht gefrorene Anteil des Schlammes, der aber durch das Herabfließen auf der Wärmetauscherwand schon abgekühlt worden ist, wird zum oberen Ende der Wärmetauscherwand zurückgefördert und beim nochmaligen Herabfließen weiter abgekühlt, so daß ein weiterer Anteil eingefroren wird. Auf diese Weise wird die Wärmetauscherwand progressiv mit einer Schicht gefrorenen Schlammes bedeckt. Dies führt zu einem sehr guten Wirkungsgrad des Verfahrens, da einerseits die Wärmedurchgangszahl infolge der zunächst noch nicht mit gefrorenem Schlamm bedeckten oder nur mit einer dünn gefrorenen Schlammschicht bedeckten Wärmetauscherwandabschnitte verhältnismäßig groß bleibt und da andererseits der zuletzt noch flüssige Anteil des Schlammes schon so stark abgekühlt ist, daß die zu seiner Verfestigung noch erforderliche Kühlleistung gut durch die schon verfestigte Schlammschicht transportiert werden kann. Man kann somit verglichen mit dem bekannten Verfahren mit geringeren Kosten arbeiten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der, daß starke mechanische Beanspruchungen des Wärmetauschers beim Einfrieren und Auftauen des Schlammes ausgeräumt sind, da der Schlamm nicht zu einem massiven Block erstarrt. Damit sind Beschädigungen der Wärmetauscherrohre ausgeräumt.

In der US-PS 25 19 844 ist ferner ein Verfahren zum Abkühlen einer Flüssigkeit beschrieben, bei dem die zu kühlende Flüssigkeit durch vertikal ausgerichtete Wärmetauscherrohre geleitet wird, die einen mit Kältemittel erfüllten Raum durchsetzen. Dort soll jedoch auf jeden Fall ein Ausfrieren der Flüssigkeit verhindert werden, und zu diesem Zwecke sind innerhalb der Wärmetauscherrohre noch Heizrohre angeordnet, die beim ersten Auftreten einer gefrorenen Schicht in Betrieb gesetzt werden. Dort ist noch nicht erkannt, daß sich vertikale Wärmetauscherrohre gut zum Einfrieren von Schlamm eignen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt die einzige Figur schematisch eine Vorrichtung zum Abtrennen fester Bestandteile eines Schlammes.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Schlammtrenngeräts nach der vorliegenden Erfindung.

Die Schlammtrennanlage enthält einen ersten Wärmetauscher 10, einen zweiten Wärmetauscher 11 und e.nen von einem Motor 13 angetriebenen Kühlmittelkompressor. Der erste Wärmetauscher 10 hat einen oberen Sammelbehälter 19 und einen unteren Sammelbehäher 20, die mit den offenen Enden einer Vielzahl von senkrecht angeordneten Wärmetauscherrohren 21 in Verbindung stehen, die in einer oberen Rohrplatte 22 und in einer unteren Rohrplatte 26 befestigt sind. Eine kreisförmige Verteilerplatte 23 mit einer Vielzahl von öffnungen isl radial im Abstand vom zylindrischen, äußeren Gehäuse 24 des Wärmetauschers angeordnet und bildet einen ringförmigen Verteiler zum Liefern von Flüssigkeit zu den oberen Enden der Wärmetauscherrohre 21. Diese Rohre können mit einer Vielzahl von V-förmigen Ausschnitten oder einer anderen Einrichtung zum Fördern eines gleichförmigen Flüssigkeitsstroms vom Flüssigkeitsverteiler in den Innenraum der Wärmetauscherrohre versehen werden.

Ein Bodengehäuse 27 bildet den unteren Sammelbehälter, der in Verbindung mit der unteren Rohrplatte 26 einen Schlammtank bildet. Während es notwendig ist, den Innenraum oder die Gehäuseseite des Wärmetauschers 10 gegenüber der Atmosphäre abzudichten, ist es nicht notwendig, die oberen und unteren Sammelbehälter 19 und 20 vollständig abzudichten. Zum Abschließen des oberen Sammelbehälters 19 wird vorzugsweise eine entfernbare Abdeckplatte 25 verwendet. In ähnlicher Weise kann das untere Gehäuse 27 mit der Rohrplatte 26 verschraubt werden, um sie zum Reinigen leichter entfernbar zu machen.

Der Wärmetauscher 111 ist in seinem Aufbau dem Wärmetauscher 10 identisch und enthält einen oberen Sammelbehälter 29, einen unteren Sammelbehälter 30, die beide mit einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren

31 in Verbindung stehen, die an einer oberen Rohrplatte

32 und an einer unteren Rohrplatte 36 befestigt sind. Eine kreisförmige Verteilerplatte 33 mit öffnungen bildet einen ringförmigen Flüssigkeitsverteiler mit einem äußeren Gehäuse 34 zur Verteilung zu den offenen, oberen Enden der mit V-förmigen Ausschnitten versehenen Wärmetauscherrohre 31. Zum Abschließen des oberen Sammelbehälters 29 ist eine Abdeckplatte 35 vorgesehen. Zur Bildung des unteren Sammelbehälters 30 ist ein Bodengehäuse 37 vorgesehen.

Es ist ein umsteuerbares Kühlsystem vorgesehen mit dem Kompressor 12 und einem Kühlmittelkanal 40 zum wahlweisen Abziehen von Kühlmitteldampf von der Gehäuseseite der Wärmetauscher 10 oder 11 und zum Ablassen des Kühlmitteldampfs in den anderen Wärmetauscher. Der Kompressor 12 zieht von der Gehäuseseite des Wärmetauschers 10 verdampften Kühlmitteldampf durch einen Kühlmittelkanal 43 ab, wenn ein Ventil 42 offen ist. In ähnlicher Weise wird, wenn das Ventil 42 geschlossen und ein Ventil 44 offen ist, verdampftes Kühlmittel von der Gehäuseseite des Wärmetauschers 11 durch einen Kanal 45 abgezogen. Der im Kompressor 12 komprimierte Kühlmitteldampf wird durch einen Kühlmittelkanal 47 zur Gehäuseseite des anderen, als Kondensator arbeitenden Wärmetauschers geleitet. Wenn das Ventil 48 offen ist, wird das komprimierte Gas durch einen Kühlmittelkanal 49 in den Kanal 45 geleitet, von dem es in die Gehäuseseite des Wärmetauschers 11 strömt und auf der Außenseite der Wärmetauscherrohre 31 kondensiert. In ähnlicher Weise wird, wenn der Wärmetauscher 11 als Verdampfer arbeitet, das Ventil 48 geschlossen und ein Kühlmittelventil 50 geöffnet, so daß komprimierter Kühlmitteldampf durch das Ventil und die Kanäle 51 und 43 in die Gehäuseseite des Wärmetauschers 10 geleitet wird, um hierin kondensiert zu werden.

Das kondensierte Kühlmittel strömt durch einen Kanal S4 und ein Kühlmittelströmungssteuerventil 55 von dem als Kondensators arbeitenden Wärmetauscher in den als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher. Geeignete Niveausensoren 57 und 58 sind zum Anzeigen des Niveaus des flüssigen Kühlmittels im als

ίο Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher zur Regulierung des Steuerventils 56 vorgesehen, das zum Vorsehen des gewünschten Kühlmittelniveaus das Kühlmittelventil 55 regelt
Ein typischer Arbeitszyklus des Geräts kann durch

öffnen der Ventile 42,48,74,84,71 und durch Schließen der Ventile 45, 50, 93, 95, 72, 77, 87 begonnen werden. Unaufbereiteter Schlamm wird durch eine geeignete Einrichtung zum Gerät geliefert und strömt über einen Einlaßkanal 70 durch ein Ventil 71, um eine gewünschte Schlammenge dem unteren Sammelbehälter 20 zuzuführen. Das Ventil 71 wird dann geschlossen und der Schlamm wird durch einen Kanal 73, ein Ventil 74, eine Pumpe 75 und einen Kanal 76 zum oberen Sammelbehälter 19 des Wärmetauschers umgewälzt. Der Schlamm wird abgemessen und vom Verteiierleitblech 23 verteilt, so daß er gleichmäßig in die oberen Enden der Wärmetauscherrohre 21 und in einem verhältnismäßig dünnen Film abwärts entlang den inneren Flächen der Wärmetauscherrohre strömt. Das an der Außenfläehe der Wärmetauscherrohre 21 verdampfende Kühlmittel bewirkt ein Einfrieren eines Schlammteils als ein zylindrisches Rohr auf der Innenseite der Wärmetauscherrohre 21. Der ungefrorene Schlamm v/ird im unteren Sammelbehälter 20 gesammelt und wird von der Pumpe 75 wieder zum oberen Sammelbehälter 19 umgewälzt bis im wesentlichen der gesamte Schlamm oder dessen gewünschter Anteil auf der Innenseite der Wärmetauscherrohre eingefroren ist.

Das auf der Gehäuseseite des Wärmetauschers 10 verdampfende Kühlmittel kühlt die Außenfläche der Wärmetauscherrohre und wird durch den Kanal 43 das Ventil 42 und den Kanal 40 vom Wärmetauscher abgezogen. Der Kühlmitteldampf wird vom Kompressor 12 komprimiert und strömt durch den Kühlmittelkanal 47, das Ventil 48 und die Kanäle 49 und 45 in die Gehäuseseite des Wärmetauschers 11. Der Kühlmitteldampf wird auf der Außenseite der Wärmetauscherrohre 31 kondensiert durch die Kühlwirkung eines flüssigen Wärmetauschermittels, das durch das Innere der

so Wärmetauscherrohre geleitet wird. Das kondensierte Kühlmittel wird dann in der gewünschten Menge über den Kanal 54 durch das Strömungssteuerventil 55 zur Gehäuseseite des Wärmetauschers 10 zurückgeführt. Für den Fall, daß die Wärmetauscherrohre 31 des Wärmetauschers 11 eine Schicht aus eingeforenem Schlamm auf ihrer Innenseite haben, bewirkt der heiße, komprimierte Gefriermitteldampf ein Schmelzen des Schlamms und ein Herabfallen in den unteren Sammelbehälter 30. Zur gleichen Zeit nimmt die

bo Schmelzwirkung Wärme vom heißen, komprimierten Kühlmittel auf, so daß Energie des vornergehenden Einfrierzyklus durch Kondensieren des Kühlmitteldampf;. zurückgewonnen wird. Nachdem der gesamte, eingefrorene Schlamm in den Wärmetauscherrohren 31

faj geschmolzen ist, wird der flüssige Schlamm weiterhin durch eine Pumpe 85 durch Kanäle 83, ein Ventil 84 und einen Kanal 86 zum oberen Sammelbehälter 29 umgewälzt, wo er fortfährt, durch die Wärmetauscher-

rohre 31 nach unten fließen. Zusätzliches Kühlmittel in Form von Schlamm oder vorzugsweise dem abgetrennten, flüssigen Bestandteil davon kann von einem geeigneten Ort aus, ccwa einem Absetztank für vorzugsweise eingefrorenen Schlamm, zum System durch einen Kanal 94 und ein Ventil 95 geliefert werden, um ein Kühlmittel mit zusätzlicher Kühlkapazität zum Kondensator zu liefern oder um das gesamte Kühlmittel für den Fall zu liefern, daß kein eingefrorener Schlamm verfügbar oder in den Wärmetauscherrohren 31 nicht erwünscht ist.

Nachdem der Schlamm von den Wärmetauscherrohren 31 vollständig abgeschmolzen ist, wird die Pumpe 85 abgestellt und das Ventil 87 geöffnet. Der vorher eingefrorene, jetzt flüssige Schlamm strömt durch das Ventil 87 und den Schlammkanal 88 und 90, wo er in einen Absetztank oder an einem anderen geeigneten Ort abgelassen wird, um das schnelle Trennen des suspendierten Feststoffs aus dem flüssigen Träger zu ermöglichen.

Der Kühlmittelzyklus wird dann umgesteuert durch Schließen des Ventils 42 und öffnen des Ventils 44, Schließen des Ventils 48 und öffnen des Ventils 50, Schließen des Ventils 71 und Öffnen des Ventils 72. Unaufbereiteter Schlamm wird dann zum unteren Sammelbehälter 30 des Wärmetauschers 11 geliefert und wird in ähnlicher Weise wie oben beschrieben eingefroren, während der Wärmetauscher 10 als Kondensator verwendet wird. Nachdem der eingefrorene Schlamm im Wärmetauscher 10 geschmolzen ist, wird das Ventil 77 geöffnet, um geschmolzenen Schlamm durch den Kanal 73, das Ventil 77 und die Kanäle 78 und 90 in den Absetztank zu entladen. Der Zyklus wird dann wieder umgesteuert. Der Kanal 92 und das Ventil 93 können zum Liefern von Kühlmittel zum Wärmetauscher 10 verwendet werden wie oben in Verbindung mit dem Wärmetauscher 11 beschrieben.

Es ist zu sehen, daß ein System gemäß der vorliegenden Erfindung zahlreiche Vorteile gegenüber früheren Schlammtrennsystemen hat. Die Verwendung eines kontinuierlich herabfallenden Flüssigkeitsfilms, der auf der Innenfläche der Wärmetauscherrohre eingefroren wird, erübrigt die Anwendung extrem niedriger Kühltemperaturen, da die einzufrierende Schlammenge auf einen verhältnismäßig dünnen Film beschränkt ist anstatt auf einen großen massiven Block, der vollständig eingefroren werden muß. Frühere Verfahren, die das Einfrieren großer, stillstehender Schlammassen erforderten, benötigten unnötig tiefe Einfriertemperaturen, wegen des schlechten Wärme-Übergangs durch die Masse des einfrierenden Schlamms, um ein vollständiges Einfrieren sicherzustellen, und benötigten unnötig hohe Kondensationstemperaturen. Auf diese Weise wurde im Vergleich zum vorliegenden Gerät übermäßig viel Energie verbraucht.

Darüber hinaus sind die Wärmetauscher des vorliegenden Geräts nicht übermäßigen, mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, aufgrund der kleinen, thermischen Änderungen vom Einfrieren zum Auftauen im Zyklus, die einen Schaden verursachen könnten. Die hohlen Zylinder aus eingefrorenem Schlamm können leicht ohne Schaden für die Wärmetauscherrohre aufgetaut werden. Darüber hinaus benötigt das Gerät keine zusätzlichen Kühlmittelkondensatoren, da der gesamte Kondensationsvorgang in dem Wärmetauscher stattfindet, der vorher zum Einfrieren des Schlamms verwendet wurde, aufgrund des Vorsehens einer Hilfskühlmittelversorgung. Hierdurch wird nicht nur ein Teil der zum Einfrieren des Schlamms aufgewendeten Kühlenergie zurückgewonnen, sondern es werden auch die Kapitalkosten des Systems durch die Vermeidung gesonderter Kondensatoren auf ein Minimum gebracht.

Es können verschiedene Steuersysteme für das beschriebene System verwendet werden, um die Ventile entsprechend der gewünschten Schaltfolge periodisch zu schalten. Es ist offensichtlich, daß derartige Steuersysteme durch Zeitgeber oder durch temperatur- und druckabhängige Steuerungen nach Wunsch betätigt werden können. Während zum Zweck der Beschreibung der Erfindung nur zwei Wärmetauscher gezeigt wurden, ist hervorzuheben, daß eine große Anzahl von gleichzeitig arbeitenden Einfrier- und Kondensierbehältern angewendet oder in irgendeiner gewünschten Weise aneinander gereiht werden kann.

Das hier beschriebene Schlammtrennsystem ist besonders nutzbringend beim Fördern der schnellen Trennung der festen Teilchen vom ausfließenden Schlamm, der bei einer Wasserreinigungsanlage anfällt. Das System kann jedoch auch zum Fördern der Entfernung von irgendeinem kolloidähnlichen, suspendierten Stoff aus einem flüssigen Träger verwendet werden. Zum Beispiel enthält der Ausfluß einer Aluminiumraffinerie eine wesentliche Menge von in Wasser suspendierten Eisenoxidteilchen. Es war früher schwierig, Eisenoxid auf Grund seiner verhältnismäßig kleinen Teilchengröße abzutrennen. Das hier beschriebene Gerät sieht eine einfache Einrichtung zum Fördern der Trennung von Eisenoxidteilchen von Wasser, in dem sie suspendiert sind, vor, so daß es nicht nötig ist, benachbarte Flüsse durch Entladen der Suspension zu verunreinigen. Eine weitere Anwendung der hier beschriebenen Erfindung liegt im Entfernen suspendierter Stoffe aus Abwasser. Es ist schwierig, die schnelle Trennung einer großen Menge von suspendierten Stoffen aus dem Ablaß von sanitären Abwasserbeseitigungsanlagen zu fördern. Dieses Gerät sieht eine verhältnismäßig billige Methode zum Fördern der schnellen Trennung der suspendierten Stoffe vor, so daß das aus einer Abwasserbehandlungsanlage abgelassene Wasser verhältnismäßig frei von Verunreinigungen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtrennen fester Bestandteile eines Schlammes, bei dem der Schlamm chargenweise an einer Wärmetauscherwand eingefroren wird und dann viiieder aufgetaut wird und bei dem dann die festen Schlammbestandteile zum Absetzen gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schlamm zum Einfrieren unter Schwerkralleinwirkung als Film über die Wärmetauscherwand fließen läßt und den noch nicht gefrorenen Anteil des Schlammes vom unteren Ende der Wärmetauscherwand zu deren oberem Ende zurückfördert, bis die gesamte Schlammcharge gefroren ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zylindrische Wärmetauicherrohre verwendet werden und der Schlamm auf deren Innenseite eingefroren wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlammcharge so groß gewählt wird, daß der eingefrorene Schlamm einen Hohlzylinder bildet.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem kältemitteldurchströmten Gehäuse, mit sich durch das Gehäuse erstreckenden, den Schlamm aufnehmenden Wärmetauscherirohren, mit einer Einrichtung zum Fördern des Schlammes in und aus den Wärmetauscherrohren und mit einer Einrichtung zum wahlweisen Zuführen kalten oder warmen Kältemittels in das Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine obenliegende Zuführkammer (19; 29) und eine untenliegende Sammelkammer (20; 30) aufweist, und daß die sich zwischen diesen Kammern erstreckenden, vertikal verlaufenden Wärmetauscherrohre (21; 31) mit diesen beiden Kammern kommunizieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen in der Zuführkammer (19; 29) angeordneten ringförmigen Verteiler (23; 33), der die oberen Enden der Wärmetauscherrohre (21; 31) umgibt

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (23; 33) eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Enden der Wärmetauscherrohre (21; 31) mit V-förmigen Einschnitten (38) versehen sind.