DE2310576C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen fester Bestandteile eines Schlammes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen fester Bestandteile eines SchlammesInfo
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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 Überbegriff des Anspruchs 3.
Der in den Oberbegriffen der Ansprüche I 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 Schlamm
schicht hat man einen schlechten Wärmeübeigang zu
den noch ungefrorenen, zentralen Schlammassen. Das Frieren des Schlammes dauert somit lange und
erfordert die Einstellung eines großen Temperaturgra
dienten 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 d.:r 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 zurückgefordert und beim nochmaligen Herabfließen weiter abgekühlt, so daß ein
weiterer Anteil eingefroren wird. Auf diese Weise wird
-•5 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
JO 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 Kühllei-
''> stung gut durch die schon verfestigte Schlammschicht
transportiert werden kann. Man kann somit verglichen
mit dem bekannten Verfahren mit geringeren Kosten
arbeiten.
■"> rens 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
ίο 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.
"· 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
1^ ■ 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 H und
einen von einem Motor 13 angetriebenen Kühlmittelkompressor. Der erste Wärmetauscher IO hat einen
oberen Sammelbehälter 19 und einen unteren Sammelbehälter 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 Verfeilerplatte 23 mit einer Vielzahl von
Öffnungen ist 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 Fiüssigkeitsstroms 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 U ist in seinem Aufbau dem Wärmetauscher 10 identisch und enthält einen oberen
Sammelbehälter 29, einen unteren Sammelbehälter 30, die beide mit einer Vielzahl von Wärmetausc-herrohren
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 Kühlfnittelkänäl 49 in d-n 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 geöf'net, 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 einer.
Das kondensierte Kühlmittel strömt durch einer.
Kanal 54 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 7t, 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 oberx.fi Sammelbehälter
19 des Wärmetauschers umgewälzt. Der Schlamm wird abgemessen und vom Verteilerleitblech
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 Außenfiä-
Jo ehe der Wärmetauscherrohre 21 verdampfende Kühlmittel
bewirkt ein Einfrieren eines Schlammteils als ein zylindrisches Rohr auf der Innenseite der Wärmetauscherrohre
21. Der ungefrorene Schlamm wird im unteren Sammelbehälter 20 gesammelt und wird von
r< 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
i.· 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 Kühlmittelka-
·»? nal 47, das Ventil 48 und die Kanäle 49 und 45 in die
Gehäuseseite des Wärmetauschers U. Der Kühlmitteldampf wird auf der Außenseite der Wärmetauscherrohre
31 kondensiert durch die Kühlwirkung eines flüssigen Wärmetauschermittels, das durch das Innere der
><■ 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 he;ße, komprimierte Gefriermitteldampf ein Schmelzen des
Schlamms und ein Herabfallen in den unteren Sammelbehälter 30. Zur gleichen Zeit nimmt die
- ■ Schmelzwirkung Wärme vom heißen, komprimierten Kühlmittel auf, so daß Energie des vorhergehenden
Einfrierzyklus durch Kondensieren des Kühlmitteldampfs zurückgewonnen wird. Nachdem der gesamte,
eingefrorene Schlamm in den Wärmetauscherrohren 31 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 Warnicuuischer-
rohre 31 nach unten fließen. Zusätzliches Kühlmittel in
Form von Schlamm oder vorzugsweise dem abgetrennten, flüssigen Bestandteil davon kann von einem
geeigneten Ort aus. etwa 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 Kühlmittclzyklus 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 iie·· eingefrorene
Schlamm im Wärmetauscher 10 geschmolzen ist, jn wird das Ventil 77 geöffnet, um geschmolzenen
Schlamm durch dr.n 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 Schlammtrennsysiemen 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 F.infriertemperaturen. 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 Kühlmitielkondensatoren. da der gesamte Kondensationsvorgang in dem Wärmetauscher
stattfindet, der vorher zum Einfrieren des Schlamms verwendet wurde, aufgrund des Vorsehens
einer Hilfskühlmittelvcrsorgung. Hierdurch wird nicht
nur ein Teil der zum Einfrieren des Schlamms aufgewendeten Kühlenergie zurückgewonnen, sondern
es werden auch die Kapitalkosten des System* durch die Vermeidung gesonderter Kondensatoren auf ein Minimum
gebracht.
Es können verschiedene Steuersysteme für das beschriebene System verwendPt werden, um die Vt;>'.lie
entsprechend der gewünschien Sciiaiiiuigc peiiouisCn
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 «ineinander gereiht werden kann.
Das hier beschriebene Schlammtrennsystem ist besonders nutzbringend beim Fördern der schnellen
Trennung der festen Teilcher, vom ausfließenden Schlamm, der bei einer Wasserreinigungsanlage anfällt.
Das System kann jedoch auch zum Fördern der Entfernung von irgendeinem koiloidähnlichen. 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 Förde/n 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)
1. Verfahren zum Abtrennen fester Bestandteile eines Schlammes, bei dem der Schlamm chargenweise an einer Wärmetauscherwand eingefroren wird
und dann wieder aufgetaut wird und bei dem dann die festen Schiammbestandteile zum Absetzen
gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schlamm zum Einfrieren unter
Schwerkrafteinwirkung 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 Wärmetauscherrohre verwendet werden und der
Schlamm auf deren Innenseite eingefroren wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlammcharge so
groß gewählt wird, daß der eingefrorene Schlamm einen Hohlzyt«nder 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 Wärmetauscherrohren, 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; 3i) 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.
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