DE2411540A1

DE2411540A1 - Zentrifuge zum trennen von oel von wasser

Info

Publication number: DE2411540A1
Application number: DE2411540A
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Foster Miller Inc
Current assignee: Vencore Services and Solutions Inc
Priority date: 1973-03-12
Filing date: 1974-03-11
Publication date: 1974-09-26
Also published as: CA998654A; US3876135A; JPS5063560A; DE7408410U; JPS5246610B2

Description

Ür.-Tng. HoTzfiausei· Dipl.-Mst. 0oldbach
Dipl. - !ng. Schieferdecker

P a t e η ι a π '.v ä 11 e

605 offe::oach/main Dr.H./ks

fctermstr, 37 · Telefon 88 83 84 6. * März 1974

Foster-Miller Associates, Inc.

135 Second Avenue Waltham, Massachusetts 02154, USA

Zentrifuge zur Trennung von Öl von Wasser

Die Erfindung betrifft eine einzigartige Zentrifuge zur Trennung von Öl von Wasser, welche aus einem dreistufigen Rotor besteht, dessen erste Trennstufe geschweifte Flügel hat, dessen zweite Stufe aus einer spiralförmig in engem Abstand aufgewickelten axialen Platte besteht und dessen dritte Trennstufe wiederum geschwungene Flügel aufweist.

Hintergrund der Erfindung.

Infolge der Zunahme von Gesetzen gegen Verschmutzung besteht ein Bedürfnis für Öl-Wasser-Abscheider, welche das Öl aus Öl-Wasser-Mischungen entfernen, wie sie beim Einsatz von Schiffen anzutreffen sind. Der"Water Quality Improvement Act" von 1970 verhindert jede nachteilige Abgabe von Öl in die Wasserwege der Vereinigten Staaten. Eine vorgeschlagene Ergänzung

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der "International Convention for the Prevention of Pollution of the Sea by Oil" (Internationale Konvention zur Verhinderung der Verschmutzung der See durch Öl) von 1954 soll die Abgabe . von Öl in das Meer durch einen Tanker verbieten, sofern sich dieser näher als 50 Meilen vom nächsten Land entfernt befindet. Die "Environmental Protection Agency" hat Richtlinien zur Ergänzung des genannten Gesetzes ausgearbeitet. Diese Richtlinien definieren als "nachteilige Abgabe" von Öl eine, solche, welche die gültigen Wasserqualitäts-Standardbestimmungen verletzen oder einen Film oder eine Verfärbung auf der Oberfläche des Wassers verursachen. Besondere nationale und internationale Bemühungen gehen jetzt dahin, überhaupt jede Abgabe von Öl ins Meer bis spätestens 1975 oder 1980 zu unterbinden.

Die verschiedenen Bereiche der Einsätze von Schiffen, welche zur Zeit zur Abgabe von Öl ins Meer führen, werden im folgenden behandelt.

Analyse der Schiffseinsätze.

Es handelt sich um drei hauptsächliche Bereiche von Schiffseinsätzen, bei welchen es wünschenswert ist, Öl aus Öl-Wasser-Mischungen zu trennen:

1. Bilgenwasser; Zur Zeit wird Bilgenwasser bei den meisten Schiffen direkt ins Meer gepumpt. Bilgenwasser enthält eine Ansammlung von Abwässern, Tropf- und Leckwässern, Schmierölen, hydraulischen Ölen und Brennölen.

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Als solches bildet es typenmäßig eine Mischung von Wasser in leichten Ölen und mit diesen Ölen verbundene Zusätze.

Gemäß Yu wird bei Kriegsschiffen eine Bilgenwasserentfernungsmenge von mindestens 10 gpm (Gallone pro Minute) und bei Handelsschiffen eine etwas höhere Entfernungsmenge als Ziel betrachtet.

2. Ballastwasser: Ballastwasser dient zur Stabilisie-' rung von Schiffen durch Füllung ihrer leeren Brennstofftanks mit Seewasser oder - bei Öltankern - durch Füllung ihres leeren Ölladeraumes. Während des Ablassens von Ballastwasser, was normalerweise kurz vor dem Einlaufen in Häfen erfolgt, gelangt das Öl, welches das Wasser

in den Tanks aufgenommen hat, als Verunreinigung ins Meer. In diesem Fall liegt die Durchflußmenge in der Größenordnung von 600 bis 3.000 gpm beim Leerpumpen von Kriegsschiffen und bei 10.000 gpm für Öltanker. Das Öl im Ballastwasser ändert sich daher entsprechend der Öl- oder Heizölladung des Schiffes und umfängt den ganzen Bereich von leichten Dieselölen über das schwere Öl Nr. 6 bis zum Rohöl.

3. Konzentration von Öl auf der Meeresoberfläche: Heutzutage sind verschiedene Vorrichtungen im Gebrauch,

welche dazu dienen, Öl aus Öllachen auf der Meeresoberfläche wiederzugewinnen. Das durch diese Vorrichtungen aufgenommene Öl ist normalerweise mit einer großen Wassermenge vermischt, insbesondere wenn die Ölaufnähme bei rauher See erfolgt. Zum Transport dieses Öls zur Küste sind unterschiedliche Träger verfügbar. Eine Art dieser Träger besteht aus großen Gummibehältern, welche mit Öl gefüllt und ans Ufer geschleppt werden. Die Kapazität der größten, zur Zeit verfügbaren Behälter beträgt 500 Tonnen. Wenn die Konzentration des Öls in dieser Mischung von 30 - 50% auf etwa 95 - 100% angehoben werden könnte, so würde die Kapazität der Behälter beträchtlich erhöht werden.

Von den vorstehend behandelten Anwendungsgebieten haben die ersten beiden eines gemeinsam: die Konzentration des Öls im Wasser ist niedrig, normalerweise liegt sie unter 10%. Unterschiedlich ist jedoch, daß bei Bilgenwasser der Separator nur einen Durchfluß in der Größenordnung von 100 gpm oder weniger zu bewältigen hat, während ein Separator zum Reinigen von Ballastwasser einen Durchfluß bis zu 10.000 gpm zu bewältigen hat. Die Durchflußerfordernisse und Konzentrationen für Emulsionen, welche von Öllachen auf der Meeresoberfläche stammen, hängen von der Art der Ausrüstung ab, welche zu ihrer Reinigung zur Verfügung steht. Sie sind zur Zeit nicht so stark spezifiziert wie in den anderen beiden Fällen.

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Von diesem Gesichtspunkt her ist es für die Konzentration eines Separators wesentlich, mehr über die Eigenschaften dep spezifischen Emulsionen zu wissen, die getrennt werden sollen. Diese Eigenschaften hängen wJederum von den Eigenschaften des betreffenden Öls sowie von den Mechanismen der Emulgierung und Coalescenz ab. Diese Gesichtspunkte werden in dem folgenden Abr schnitt behandelt.

Eigenschaften der Öle.

Die interessierenden Öle können in drei große Kategorieren unterteilt werden:

1. Schmieröle, welche möglicherweise ihren Weg in das Bilgenwasser finden;

2. Heizöle, welche sich im Ballast- oder Bilgenwasser sammeln u.

3. Rohöle.

1. Schmieröle. Schmieröle sind durch die "Society of Automotive Engineers" standardisiert, und ihre Eigenschaften sind dokumentiert. Für den vorliegenden Zweck sind ihre wesentlichen Eigenschaften in dem interessierenden Temperaturbereich ihre spezifischen Gewichte, welche zwischen etwa 0,84 und 0,90 liegen und ihre Viskositäten,

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welche sich zwischen 10 und 10 centistokes ändern.

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2· Heizöle. Die Eigenschaften der Heizöle sind durch den "ASTM Standard No. D396 48T (1959)" standardisiert. Unter normalen Umweltbedingungen sind die Öle Nr. 2 und 6 repräsentativ für niedrig- bzw. hoch-viskose Öle. Infolge der sehr hohen Viskosität von Öl Nr. 6 (Bunker C) bei normalen Umwelttemperaturen können Schwierigkeiten bei ihrer Behandlung auftreten, wenn sie von der Emulsion getrennt werden.

Das spezifische Gewicht des Marine-Spezialöls liegt dicht bei 1 und das des Bunker-Öls C ist schwerer als reines Wasser über einen beträchtlichen Bereich der Bearfceitungstemperatur. Hierdurch wird die Antriebskraft für die Trennung verringert und in einigen Fällen umgekehrt, so daß besondere Aufmerksamkeit notwendig ist, um das Problem der Trennung von schweren Heizölen zu losen.

3. Rohöle. Die spezifischen Gewichte der üblichen Rohöle sind geringer als 1 und machen sie dadurch zur Zentrir fugaltrennung gut geeignet. Ebenfalls liegen ihre Vis^x kositäten in annehmbaren Grenzen zur Behandlung durch das vorgeschlagene System.

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Bedingungen beim Schiffseinsatz

Jedes für die Öl-Wasser-Trennung bestimmte System sollte mit vorhandenen Ausrüstungen, Abmessungen und Kraftquellen, die im Schiff vorhanden sind, verwendbar sein. Es sollte sicher arbeiten und gegen Veränderungen der Temperatur sowie der im Einlaß des Separators zugeführten Gemische unempfindlich sein. Ferner sollte die Wirksamkeit des Systems nicht durch die Schiffsbewegung beeinflußt werden.

Der Zufluß zum Separator besteht normalerweise aus einer Ölin-Wasser-Emulsion zusammen mit Faulschlamm, Rost und anderen festen Teilchen. Bei von Öllachen auf der See aufgenommenem Öl besteht zusätzlich die Möglichkeit des Vorhandenseins von Fischresten, Plankton und anderem Treibgut. Der Grad der Emulgierung hängt ebenso von der Art und Konzentration des Öls als auch von dem Mechanismus ab, welcher zur Bildung der Emulsion führt. Im allgemeinen sind drei Mechanismen hierfür verantwortlich:
1.. die Mischung von Ballast- und Bilgenwasser;

2, die durch Abscherung und Turbulenz induzierte Emulgierung, welche eintritt, wenn eine Öl-Wasser-Mischung durch eine Zentrifugalpumpe geschickt wird und

3. die Mischung, welche auf der Meeresoberfläche bei Öllachen infolge des Wellengangs eintritt.

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Es ist infolgedessen außerordentlich wichtig, eine quantitative Messung der Emulsionscharakteristiken, die sich durch diese verschiedenen Möglichkeiten bilden, zu haben. Eine repräsentative Methode zum Charakterisieren von Emulsionen ist die Verteilung der Tropfengröße. Abgesehen von den Schwierigkeiten, die das Verständnis des Mechanismus der Emulgierung machen, liegen jedoch sehr geringe quantitative Informationen über die Verteilung der Tropfengröße vor. So besteht beispielsweise für eine Öl-in-Wasser-Mischung, welche in kontrollierter Weise gemischt oder emulgiert wurde, keine Formel, welche die Verteilung der Tropfengröße angibt. Infolgedessen können Informationen dieser Art nur experimentell innerhalb des derzeitigen Standes der Technik entwickelt werden. Demgemäß war ein Teil der Entwicklungsarbeit für die vorliegende Erfindung auf die quantitative Messung der Tropfengrößenverteilung in Öl-Wasser-Emulsionen gerichtet, welche nach verschiedenen kontrollierten Methoden hergestellt wurden, um Schlffsemulgierungen zu simulieren.

Da jedes Schiff Bilgenwasser- und Ballastwasserpumpen hat, ergibt sich, daß ein idealer Separator derjenige wäre, welcher direkt mit vorhandenen Pumpen gekoppelt werden könnte. Die gemäß der Erfindung entwickelte Zentrifuge kann als Strömungsgetrieben konstruiert werden, wobei lediglich der Durchflußstrom die notwendige Antriebsenergie ergibt. Eine

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solche Zentrifuge hat die zusätzliche Fähigkeit, daß sie leicht durch Modulierung größeren Durchflußmengen angepaßt werden kann, d.h. mehrere Separatoren parallelgeschaltet werden können.

Zusammenfassung der Erfindung.

Gemäß der Erfindung hat eine Zentrifuge zur Trennung von im wesentlichen nicht miteinander vermischfearen Flüssigkeiten, die Mischungen von leichten und schweren Flüssigkeiten bilden, folgende Teile: ein Gehäuse, einen Flüssigkeitseinlaß in das Gehäuse, um diesem eine Mischung von leichten und schweren Flüssigkeiten zuzuführen, einen Rotor in dem Gehäuse; Mittel zur Lagerung des Rotors, wobei dieser Rotor drei Stufen hat, nämlich eine erste Stufe mit einer Mehrzahl von axialen und radialen Flächengliedern in genügendem Abstand voneinander, um relativ große Tropfen der leichten Flüssigkeit als Tropfen abfließen zu lassen und Ströme im wesentlichen radial gegen die Achse des Rotors strömen zu lassen, wenn die schwere Flüssigkeit gezwungen wird, sich im wesentlichen radial nach außen gegen das Gehäuse unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte zu bewegen; Mittel, um zu gestatten, daß die leichte Flüssigkeit von den radial inneren Teilen des Rotors und von dem Gehäuse abfließt; eine zweite Stufe, bestehend aus Einrichtungen, um relativ enge axiale Durchlässe zu begrenzen, die sich in Längsrichtung und zentral zum Rotor erstrecken, um den Strom

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der von der ersten Stufe ungetrennten leichten und·schweren Flüssigkeit aufzunehmen, wobei die Länge und Anzahl dieser Durchlässe genügend groß ist, um relativ kleine Tropfen der leichten Flüssigkeit zur Bildung von größeren Tropfen während des axialen Durchstroes der leichten und schweren Flüssigkeiten weg von der ersten Stufe zusammenfließen zu lassen; und eine dritte Stufe, bestehend aus einer Mehrzahl von axial und radial sich erstreckenden Oberflächenteilen; ferner Mittel zum Aufnehmen von schweren und leichten Flüssigkeiten aus der zweiten Stufe, wobei die Oberflächenteile genügend weit voneinander getrennt sind, um zu gestatten, daß sich relativ große, von der zweiten Stufe aufgenommene Tropfen von der schweren Flüssigkeit trennen und im wesentlichen radiaj! einwärts fließen,-wenn diese Tropfen von der schweren Flüssigkeit unter der Einwirkung der Zentrifugalkräfte getrennt werden? Mittel, um die Tropfen der leichten Flüssigkeit von dem Rotor und dem Gehäuse zu trennen und Auslässe, um die schwere Flüssigkeit aus dem Gehäuse neben der dritten Stufe abzuführen.

Bei einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes bestehen die Oberflächenglieder der ersten und dritten Stufe aus Flügeln, deren radiale äußeren Teile im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und in einer zwischen der radialen und tangentialen Richtung liegenden Richtung

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geneigt sind. Bei einer weiteren Ausführungsform der Zentri- fuge nach der Erfindung besteht die zweite Stufe aus einer Anzahl von in dichtem Abstand zueinander liegenden, zur Rotorachse konzentrisch verlaufenden dünnen Blechen. Bei anderen Ausführungsformen wird die zweite Stufe von offenzelligem Material oder Fasermaterial gebildet. Ferner sind Vorrichtungen vorgesehen, um vor der ersten Stufe den Flüssigkeitseintritt bis etwa auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zu beschleunigen, so daß hernach der Flüssigstrom im wesentlichen nur axial in Bezug auf den Wirbelrotor verläuft. Eine in Strömungsrichtung hinter der dritten Stufe liegende Flügelturbine kann dazu dienen, die Energie des Ausflusses vor seinem Austritt wiederzugewinnen.

Dieses Programm wurde zur Konstruktion, Entwicklung, Fabrikation und Durchführung von Versuchen mit einem Zentrifugalseparator durchgeführt, um Öl, was sich normalerweise im Bilgen- und Ballastwasser von Schiffen befindet, zu trennen. Die Zentrifuge ist unüblich, indem sie vorwiegend einen axialen Strom hat, der einen hohen Durchsatz und eine niedrige Rotorgeschwindigkeit gestattet. Die Zentrifuge hat eine primäre, eine sekundäre und eine tertiäre Trennstufe als Konstruktionseinheit und ist daher in der Lage, mit hohen Einlsßkonzentrationen zu arbeiten.

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Ausflußkonzentrationen in der Größenordnung von 10 ppm wurden erzielt bei Einlaßkonzentrationen von 1000 ppa für Öle Nr. 2, Nr. 4 und Nigerisches Rohöl. Bei höheren Konzentrationen bis zu 58.800 ppm für öl Nr. 2 und 18.99 ppm für öl Nr. 4 enthielt der Ausfluß veniger als 100 ppm. Die Trennleistung für öle Nr. 2 und Nr. 4 mit 10# Gamlen D war geringer als bei reinen Ölen und erforderte eine Abänderung der Konstruktion des Separators.

Die Öltropf engrößen-Verteilung beim Einlaß und Auslaß wurde unter Verwendung eines ^MCoulter"-Teilchenzählers gemessen. Hierdurch war eine Bewertung des Separator-Wirkungsgrades als Funktion des Tropfengrößenanteils der öldispersion und damit eine rationale Bestimmung der Konstruktionsmethode und ihrer Anwendung auf die Entwicklung zukünftiger Prototypen möglich.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher beschrieben; darin zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer Zentrifuge gemäß der Erfindungj

Fig. 2A und 2B senkrechte Schnitte in größerem Maßstab durch die linke bzw#^! rechte Hälfte der in Fig. 1 dargestellten Zentrifuge;

Fig. 3 »inen Querschnitt durch die Mittelwelle der Zentrifuge nach Entfernung des Gehäuses;

Fig. 4, 5 und 6 Querschnitte nach den Linien 4-4, 5-5 und 6-6 von Fig. 2A in Richtung der Pfeile gesehen;

Fig. 7 einen Längsschnitt in schaubildlicher Darstellung durch den Coalescer der zweiten Stufe des Rotors, und

Fig. 8 eine Darstellung gemäß Fig. 7 für eine andere Ausführungsform des Coalescers unter Verwendung von porösem offenzelligem Material.

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In Fig. 1 ist die Zentrifuge gemäß der Erfindung schaubildlich dargestellt. Gemäß Fig. 2A und 2B besteht die Zentrifuge im wesentlichen aus einem dreistufigen Rotor. Dieser Rotor enthält als erste Stufe einen Separator 20 mit gekrümmten Flügeln, um die großen Tropfen zu separieren, als zweite Stufe einen Coalescer (Sammler) 21, welcher aus einer spiralförmig dicht aufgewickelten axialen Platte besteht, um die kleinen Tropfen zusammenfließen zu lassen und als dritte Stufe .einen Separator 22 mit gekrümmten Flügeln, um das zusammengeflossene öl zu sammeln und auszuscheiden.

Ein Gehäuse 19 umgibt den inneren Rotora_ufbau. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse am inneren Rotoraufbau befestigt und wird mittels eines Antriebsmotors 18, Riemens 17 und Riemenscheibe 16 angetrieben. Bei anderen Ausfühe rungsforaen kann das Gehäuse auch ortsfest angeordnet sein.

Das Einlaßende der Zentrifuge ist konisch ausgebildet und enthält Schaufeln 57 - 59, die später noch näher beschrieben, werden, und Durchlässe 25 (Fig. 3)» welche als Zentrifugalpumpe 26 wirken. Am Auslaßende des Rotors befinden sich zentripetale Turbinenelemente 27. (Fig. 2B). Auf diese Weise hat der Strom, welcher in den Rotor eintritt und ihn verläßt, eine relativ niedrige Wirbelgeschwindigkeit, wird jedoch in dem axialen Ringraum bei geringem Energieaufwand auf der vollen

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Umfangsgeschwindigkeit des Rotors gehalten. Fig. 2A und 2B zeigen den Weg, welchen der Strom durch die Rotorstufen von links nach rechts nimmt.

Gemäß Fig. 2A und 2B sind die Enden der Rotorwelle 28 hohl und besitzen radiale Durchlässe 29 und 30, welche die radial inneren Kanten der Flügel 60 bzw* 23 mit dem Inneren der Rotorwelle 28 verbinden. Ein Flüssiggemisch aus öl und Wasser wird zunächst durch die Pumpe 26 auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors gebracht, das bedeutet»* daß das Flüssiggemisch anschließend in Bezug auf den Rotor nur eine im wesentlichen axiale Strömung in Richtung der Pfeile hat. Die Flüssigkeit tritt bei den Flügeln 57 und 58 ein, erreicht Umfangsgeschwindigkeit, gelangt dann zu den Flügeln 59 und schließlich zu den Flügeln 60. Gemäß Fig. 5 verlaufen die Flügel 60 in einer Mittelrichtung zwischen radial und tangential. Durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte auf die Flüssigmischung werden relativ große öltropfen durch Wasser verdrängt, welches gezwungen wird, nach außen gegen das Gehäuse zu wandern, und die Öltropfen fließen nah innen durch die Durchlässe 29 in die Welle 28. Anschließend hieran gelangt die Mischung, welche jetzt nur noch kleine Tröpfchen enthält, in die zweite Stufe des Rotors, nämlich den Coalescer 21, mit seinen Sammelplatten 68. Die Platten 68 liegen im wesentlichen zur Rotorachse konzentrisch und bilden lange axiale Durchlässe mit geringem radialen Abstand. Die Zentrifugalkräfte drücken die Öltröpfchen

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einwärts, so daß die Öltröpfchen auf die Wandungen oder andere Tröpfchen aufprallen und dadurch große Tröpfchen oder Ölfilme bilden. Durch Flüssigkeitstrennung des Hauptwasserstroms in Bezug auf den Ölstrom und durch Druckkräfte wandert der Ölfilm auf der Oberfläche der Platten. Die Länge der Durchlässe muß also so groß sein, daß für einen bestimmten Anwendungsfall im wesentlichen alle kleinen Öltropfen in der Mischung, welche nach der ersten Trennstufe noch vorhanden sind, in große Tropfen zusammenfließen «der einen Film bilden, welcher sich beim Eintritt in die dritte Stufe in große Tapfen auflöst. Das schwerere Wasser und die Öltröpfchen treten in die dritte Stufe zwischen den Flügeln 23 ein, welche die gleiche Neigung aufweisen wie die Flügel 60. Das Wasser wandert radial nach außen, und das Öl fließt einwärts zu den Durchlässen 30 und durch diese in die Rotorwelle 28, um alsdann aus dem Gehäuse entfernt zu werden. Es sei erwähnt, daß in der dritten Stufe ein Bund 31 vorgesehen ist, über welchen das Wasser strömen muß, so daß hinter die Durchlässe 30 gelangendes Öl ausgeschieden wird und zurück zu den Durchlässen 30 fließt.

Nachdem im vorstehenden die wesentlichen Teile der Zentrifuge in Bezug auf die Funktion jeder Zentrifugenstufe beschrieben wurden, sollen nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 2A und 2B sowie 3 bis 6 die Einzelheiten der Konsliruktion erläutert werden.

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Die Endgehäuse 50, 50' haben eine Einlaßverbindung 51 und eine Auslaßverbindung 51 - für die Zuführung von Flüssigkeitsgemischen und die Abführung des Abflusses, welcher die Verunreinigungen enthält, die aus ihm entfernt wurden. Die Endgehäuse dienen ferner als Lager für die Rotorwelle 28. In Fig. 2A ist ein typisches Lager dargestellt. Es besteht aus dem Kugellager 52 mit inneren und äußeren Ringen 52a und 52b sowie einer Anzahl Kugeln 52c. Der Haltering 52d hält die erwähnten Lagerteile an ihrem Platz. Dichtungen 53 und 54 verhindern das Austreten von Flüssigkeit, welche von dem Einlaß 51 in die Zentrifugenpumpe 26 strömt. Ringe 55 und 56 legen sich gegen die Dichtungen 53 und 54.

Wie aus Fig. 2A ersichtlich, hat die Zentrifugalpumpe einen ersten Satz von Flügeln 57 und einen zweiten Satz von Flügeln 58, deren Funktion darin besteht, die Flüssigkeit radial zu führen, bis die Umfangsgeschwindigkeit erreicht ist, d.h. dieselbe Geschwindigkeit wie der Rotor. Anschließend - wie auch aus Fig. 4 ersichtlich, glätten eine Anzahl von Schaufeln 59 den Flüssigkeitsstrom, d.h. sie machen die Strömung laminar und gleichförmig, nachdem er die notwendige Umfangsgeschwindigkeit erreicht hat. Die Flügel 60 eines Schlußsatzes von Flügeln (Fig. 5) verlaufen in einer Richtung zwischen einer genau axialen und einer genau radialen Richtung.

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Beim Durchtritt der Flüssigkeit durch die Flügel 60 erfolgt die Trennung des Öls vom Wasser. Durch die Neigung.der Flügel wird das Öl gezwungen, auf die Oberfläche des benachbarten Flügels 60 aufzutreffen, da infolge der Zentrifugalwirkung sich das Wasser nach außen und das Öl nach innen bewegt. Die gleiche Funktion wird durch die Flügel 23 erfüllt. Wie am besten aus Fig. 5 ersichtlich, fließt das öl auf den Oberflächen der Flügel 60 entlang, wandert nach innen .durch die Schlitze 61 in der Stirnseite des Rotors und von dort durch die Durchlässe 29 in die Welle 28, um aus ihr anschließend durch den Ölauslaß 70 entfernt zu werden (Fig. 2A).

Die Teile der Pumpe 26 und des Sammlers 21 sind durch eine Anzahl von Bolzen 63 miteinander verbunden, welche durch Teile 26a und 26b der Puepe und durch, einen Kern 21a des Sammlers hindurchtreten. Alle diese Teile sind mit dem äußeren Gehäuse 19 mittels eines Halters 66 verbunden (vgl. Fig. 2A und 6). Verbindungsstege 66b der Schenkel 66a des Halters 66 sind mit dem Gehäuse 19 durch Bolzen 67 verbunden. Die Platten 68 des Sammlers 21 berühren die Schenkel 66a und werden in üblicher (nicht dargestellter) Weise im Abstand voneinander gehalten.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion wiederholt sich im wesentlichen in Fig. 2B und braucht daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Ein Unterschied besteht darin, daß der Halter 66' zwischen den geschwungenen Flügeln 23 und den Glättflügeln 60· liegt. Das Endgehäuse 50« trägt ein

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Lager, welches in allen Teilen dem in Verbindung mit dem Gehäuse 50 beschriebenen Lager entspricht.

Betriebsversuche.

Mit einem Versuchsmodell des Separators gemäß der Erfindung wurden Betriebsversuche durchgeführt. Für diese Versuche wurden Öl-Wasser-Mischungen der Nr. 2 und Nr. 4 Öle und Nigerisches Rohöl sowie Zuschläge, wie z.B. Gamlen D, Lubrizol Corporation Zusatz OS Nr. 29817A und Ajax Flüssigreiniger verwendet. Die Öl-Wasser-Mischungen wurden mittels einer Zentrifugalpumpe emulgiert. Zur Feststellung der Verteilung der Tropfengröße am Einlaß und Auslaß des Separators wurde ein Coulter Counter Model Z benutzt. Der gesamte Ölgehalt wurde durch geeignete Integration der Verteilung der Tropfengröße ermittelt. So ergab sich bei einem Betriebsversuch mit Heizöl Nr-. 4 folgendes:

• Nr. 4 Heizöl

1. Bei einer Geschwindigkeit von 3.500 rpm (UpM) und einer Strömungsmenge von 50 gpm (Gallone pro Minute ), einer Einlaßkonzentration von 4,243 ppm bzw. 25.000 ppm wurde im Abfluß eine Ölkonzentration von 9,6 ppm bzw. 77 ppm erreicht.

U 0 9 8 3 9 / Π ? 9 H

2. Die Wirkung des Gamlen D war weniger stark als bei Öl Nr.

2. Versuche nach geeigneter AusqJilung der Testschleife ergaben im Ausfluß einen Wert von 8,6 ppm bei einer Konzentration von 450 ppm am Einlaß.

3. Die mittlere Tropfengröße der Nr. 4 Emulsion betrug etwa 30 Mikron, so daß praktisch alles öl durch den ersten Separator ausgeschieden und durch die erste Abzapfung entnommen wurde. Die folgenden Stufen der Coalescenz und Trennung wurden kaum benötigt. Die Wirkung von Zuschlagen bei der Emulsion Nr. 4 ist gering. Die mittlere Tropfengröße wird nur auf 25 Mikron verringert. Das Sedimentationsverhalten der Nr. 4 mit und ohne Zuschlag ist etwa dasselbe. Jedoch scheint die Coalescenz und die Endseparation geringer, wenn der Versuch mit Zuschlägen durchgeführt wird.

Andere Versuchsfaktoren.

1. Der totale Druckabfall der Maschine, wenn der Sammler praktisch frei von öl war, betrug etwa 35 psi bei 100 gpm, gleichbedeutend mit etwa 2 PS hydraulisch. Der Druckabfall durch den sauberen Sammler betrug einen Bruchteil von 1 psi bis zu 125 gpm. Selbst bei den höchsten bekannten ölVerschmutzungen betrug der Verlust durch den Sammler selbst weniger als 10 psi, in erster Linie wohl durch die Tatsache, daß wenn die Belastung steigt - eine größere Fraktion des Öls bereits vor dem Sammler abgeschieden wird.

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2. Die Zentrifuge war mit einem 2 PS-Motor ausgestattet. Diese Kraft wurde jedoch niemals ausgenützt. Durch die Wirbelung der Einlaßströmung und die damit verbundene Beibehaltung des Drehmoments der Rotorkonstruktion würde die Zentrifuge etwa bei 3000 rpm freilaufen und dadurch den Rotor mitnehmen. Natürlich geht diese Eigenkraft aufkosten des Druckabfalls in der Strömung.

Konstruktionsentwicklung des Versuchsmodells des Zentrifugal-Separators:

1. Beschreibung des Konzepts.

Die grundlegende Basis für die Konstruktion ist ein hoher Durchfluß und eine relativ niedrige Drehzahl oder Zentrifugalkraft, welche innerhalb der Gravitation der leichten ölphase vorherbestimmbar ist. Die meisten FlÜssig-Flüssig-Zentrifugen benutzen konische, dicht gestaffelte Platten, welche konzentrisch zur Drehachse der Maschine liegen. Dies gestattet die Aufrechterhaltung sehr hoher Feldkräfte, jedoch erzeugt die radiale Strömung der Flüssigkeiten zwischen den konischen Platten Sekundärströmungen, welche den möglichen Durchlaß beschränken, bevor der Separationswirkungsgrad sich verschlechtert. Zwischen den Platten verläuft der Ölstrom und der Wasserstrom notwendigerweise entgegengesetzt. Andererseits kann eine hohe Geschwindigkeit mit minimalem Sekundärstrom und minimaler Turbulenz aufrechterhalten werden, wenn der Öl-Wasser-Strom in axialer Richtung vorherrscht. Die Trennung

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des Öls soll über eine genügende axiale Länge erfolgen.

Der für dieses Programm entwickelte Zentrifugalseparator hat. folgende ungewöhnliche Konstruktionsmerkmale:

1. Der Durchfluß während der Separation erfolgt in Bezug auf den umlaufenden Rotor axial. Dies gestattet eine stetige laminare, jedoch hohe Strömungsgeschwindigkeit, die sowohl für die Coalescenz als auch die Separation von Öltropfen förderlich ist.

2. Es wurden drei Separationsstufen vorgesehen. Die erste Stufe entfernt eine große Fraktion des Öls, welche aus größeren Tropfen besteht, vor dem Eintritt in den Sammlerteil.. Eine Hittelstufe, welche aus in geringem Abstand voneinander angeordneten konzentrischen axialen Zylindern besteht, sammelt, die kleinen öltropfen. Eine dritte Trennstufe entfernt das zusammengelaufene öl. Die erste Stufe verringert die ölbelastung des Sammlers und ermöglicht es, den Separator mit starken Ölkonzen« trationen laufen zu lassen, ohne daß ein zusätzlicher Klärtank erforderlich wäre.

3. Für die Separatorgröße ist im Verhältnis zur typischen Flüssigkeitszentrifuge der Durchstrom groß und die dynamische Intensität niedrig.

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4. Vor und hinter den Separatorstufen sind Zentrifugalpumpen- und Turbinenteile vorgesehen, um Kraft zu erhalten und möglicherweise die Anlage ohne äußere Antriebskraft strömungsangetrieben zu machen, d.h. als Turbine laufen zu

t lassen.

Der axiale Strom und die Trennung des öligen Wassers finden in dem äußeren Ringteil des zylindrischen Rotors statt, der in Fig. 1 aufgeschnitten dargestellt ist. Der Ringteil ist nahezu mit Platten und zylindrischen Elementen in dichtem Abstand voneinander gefüllt, um das öl zu sammeln. Die konischen Enden des Rotors enthalten Schaufeln und Durchlässe, welche als Zentrifugalpumpen- und Zentripetalturbinenelemente an den Einlaß- bzw. Auslaßenden wirken. Infolgedessen hat der in den Rotor eintretende und ihn verlassende Strom eine relativ niedrige Wirbelgeschwindigkeit, wird jedoch mit verhältnismäßig geringem Energieaufwand im axialen Ringraum auf der vollen Rotorumfangsgeschwindigkeit gehalten. Diese Energieerhaltung ist bei den typischen Zentrilgen mit konischen Platten nicht möglich, und zwar deswegen, weil viskose Corioliskräfte bei Radialstrom zwischen den Platten bewirken, daß der Strom beschleunigt und nicht gepumpt wird.

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Der Rotor ist in den Einlaß- und Auslaßgehäusen an den gegenüberliegenden Enden gelagert. Die Gehäuse enthalten Standardlager und Dichtungen und richten die Strömung strudelartig, um die Einlaß- und Auslaßbedingungen des Rotors einander im wesentlichen anzupassen. Die Hauptwelle des aus mehreren Teilen bestehenden Rotors erstreckt sich durch die Gehäuse, wobei Ölabflüsse an der Achse und eine Antriebsmöglichkeit von außen vorgesehen sind.

Der dargestellte Aufbau der Maschine ist zweckentsprechend, jedoch nicht ausschließlich. Ein wesentliches Merkmal des Konzepts besteht darin, daß bei geeigneter Konstruktion der Einlaß- und Auslaßenden die Zentrifuge Strömungsgetrieben arbeiten kann, also keinen äußeren Antrieb benötigt.

Das Herz der Maschine liegt in dem ringförmigen Strömungsraum des Rotors, welcher einer zusätzlichen Beschreibung bedarf. Eine Zusammenstellung dieser Vorrichtung zeigen die Figuren 2A und 2B. Der große zylindrische Strömungsringraum besteht aus dem äußeren Viertel des radialen Bereiches und ist an beiden Enden mit den genannten Pumpen-Turbinen-Teilen verbunden. Die Strömung verläßt den Pumpenteil und tritt in den ersten Teil des Rdmgrauras ein, welcher aus einem Satz dicht nebeneinander liegender radialer Flansche 59 besteht.

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Anschließend tritt der Strom in einen Satz von gewölbten Flügeln 60 (Fig. 5) ein. Fig. 5 zeigt die radialen Schlitze 61 und 29 zur Abführung des Öls in die Hauptwelle 28.

Von den gebogenen Flügeln 60 gelangt der Strom in die zweite Stufe, welch· aus einem langen Abschnitt aus dicht um die Mittelwelle des Rotors gewickelten dünnen Metallblechen besteht. Das Einlaßende ist in Fig. 2A gezeigt. Es enthält einen Halter 66 zum Tragen der äußeren Hülle 19 und eine Mittelwelle mit Öl-Abflußbohrungen 29 für die Stufe mit den gekrümmten Flügeln 60. Die Strömung erfolgt im wesentlichen axial in Bezug auf den umlaufenden Rotor in Hohlräumen zwischen den aufeinanderfolgenden Wicklung des Metallbleches. Die Zwischenräume werden durch Warzen auf dem Metallblech abgesichert.

Die Teile nach den zylindrischen Wicklungen sind Duplikate der konischen Durchgangs-, der radialen Flügel- und der geschwungenen Flügelabschnitte am Eintrittsende in umgekehrter Reihenfolge. Das gesamte Rotorinnere ist in Fig. 2A und 2B dargestellt, wobei die Strömung von links nach rechts erfolgt.

Die Funktion der Rotorabschnitte kann in Bezug auf den Strömungsweg wie folgt erläutert werden:

a) die Strömung wird im konischen Pumpenabschnitt auf im wesentlichen Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt;

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ϊ») die Strömung wird aufgeteilt, und zwar im wesentlichen axial in Bezug auf den umlaufenden Rotor und in dem Glättungsabschnitt mit radialen Flügeln auf im wesentlichen laminare Bedingungen verringert}

c) In. dem auf der Eingangsseite liegenden Abschnitt mit gebogenen Flügeln findet eine radiale Bewegung und ein Abfluß von großen ölteilen und StrÄmen statt;

dl) in dem zylindrisch gewickelten Sammlerteil 21 tritt eine radiale Bewegung und Ballung der kleinen öltröpfchen einj

e) der ölaustritt aus allen Schichten des Sammlers erfolgt in Form von großen Tropfen und Strömen, die sich einwärts bewegen, wobei das öl in den hinter dem
Sammler liegenden Separatorteil abgeführt wird;

f} die Strömung wird im wesentlichen laminar aufrechterhalten, und die letzte Öl-Wasser-Trennung erfolgt ±a dem Glättabschnitt am Ende der Anlage;

g) das Wirbelmoment der Strömung wird in dem konischen Turbinenteil zurückgewonnen.

allgemeinen ist die Trennung der Funktionen für die einzelnen Stufen für eine Zentrifuge nicht üblich. Ein wesentliches Element der Vorrichtung nach der Erfindung ist der Coalescer bzw· Sammler. Hier ist der Durchfluß für eine
große Länge oder Arbeitszeit im wesentlichen laminar,

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obwohl die Strömungsgeschwindigkeit hoch und die Zentrifugalkraft relativ niedrig ist.

Fig. 7 und 8 zeigen andere Konstruktionen des Coalescers bzw. Sammlers als die vorstehend beschriebene. In Fig. 7 besteht der Sammler aus offenzelligem Material 40 mit im allgemeinen axial orientierten Durchlässen. Bei dieser Ausführung des Sammlers müßte es möglich sein, alle Einrichtungen zur Ableitung des Öls längs der Rotorachse über die gesamte Länge des Sammlers anzuordnen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8. wurde faseriges Material 41 verwendet, dessen Fasern axial orientiert sind, so daß sich kleine Tropfen der leichten Flüssigkeitsphase abscheiden und sammeln. Das Prinzip der Arbeitsweise für beide Ausführungsformen nach den Figuren 7 und 8 ist im wesentlichen das gleiche wie für die Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 6. .

Im vorstehenden sind besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, welche hauptsächlidh repräsentativ sind. Bezüglich des Schutzumfangs wird daher auf die anschließenden Ansprüche verwiesen.

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Claims

Dr.H./ks 6.3-74

Ansprüche :

Zentrifuge zur Trennung von im wesentlichen nicht miteinander vermischbaren Flüssigkeiten, die Mischungen von leichten und schweren Flüssigkeiten bilden, bestehend aus folgenden Teilen:

einem Gehäuse, einem Flüssigkeitseinlaß in das Gehäuse, um diesem eine Mischung von leichten und schweren Flüssigkeiten zuzuführen,

einem Rotor in dem Gehäuse, Mitteln zur Lagerung des Rotors, wobei dieser Rotor drei Stufen hat, nämlich eine erste Stufe mit einer Mehrzahl von axialen und radialen Flächengliedern in genügendem Abstand voneinander, um relativ große Tropfen der leichten Flüssigkeit als Tropfen abfließen zu lassen und Ströme im wesentlichen radial gegen die Achse des Rotors strömen zu lassen, wenn die schwere Flüssigkeit gezwungen wird, sich im wesentlichen radial nach außen gegen das Gehäuse unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte zu bewegen; Mitteln, um zu gestatten, daß die leichte Flüssigkeit von den radial inneren Teilen des Rotors und von dem Gehäuse abfließt} eine zweite Stufe, bestehend aus Einrichtungen, um relativ enge axiale Durchlässe zu begrenzen, die sich in Längsrichtung und zentral zum Rotor erstrecken, um den Strom der von der ersten Stufe ungetrennten leichten und schweren Flüssigkeit aufzunehmen, wobei die Länge

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und Anzahl dieser Durchlässe genügend groß ist, um relativ kleine Tropfen der leichten Flüssigkeit zur Bildung von größeren Tropfen während des axialen Durchstroms der leichten und schweren Flüssigkeit weg von der ersten Stufe zusammenfließen zu lassen, und eine dritte Stufe, "bestehend aus einer Mehrzahl von axial und radial sich erstreckenden Oberflächenteilen, und Mitteln zum Aufnehmen von schweren und leichten Flüssigkeiten aus der zweiten Stftfe, wobei die Obe rf lächenteile genügend weit voneinander getrennt sind, um zu .gestatten, daß sich relativ große, von der zweiten Stufe aufgenommene Tropfen von der schweren Flüssigkeit trennen und im wesentlichen radial einwärts fließen, wenn diese Tropfen von der schweren Flüssigkeit unter der Einwirkung der Zentrifugalkräfte getrennt werden; Mitteln, um die Tropfen der leichten Flüssigkeit von denr Rotor und dem Gehäuse zu trennen und Auslässen, um die schwere Flüssigkeit aus dem Gehäuse neben der dritten Stufe abzuführen.
2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Stufe Einrichtungen zur Beschleunigung der Mischung im wesentlichen auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors enthält, so daß diese Mischung hernach im wesentlichen nur axial in Bezug auf den Rotor strömt.

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3- Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächenglieder der ersten. und dritten Srufe aus Flügeln bestehen, deren äußere Teile im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und deren Neigung zwischen einer radialen und einer tangentialen Richtung verläuft.
4. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe aus im dichten Abstand voneinander liegenden konzentrischen Materialblättern besteht.
5. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Stufe aus offenzelligem porösem Material oder dgl. besteht.
6. Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Stufe eine Flügelpumpe. zur Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit des ankommenden Flüssigkeitsstroms auf einen Wert nahe der Winkelgeschwindigkeit des Rotors enthält.
7. Zentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine einen Teil des Rotors bildende Schaufelturbine in Strömungsrichtung hinter der dritten Stufe angeordnet ist, um die Flüssigkeit aus

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ihr aufzunehmen und durch die Schaufelturbine dem Auslaß des Gehäuses zuzuführen, wobei im wesentlichen die Energie wiedergewonnen wird, die anfänglich erforderlich war, um die Winkelgeschwindigkeit der einströmenden Flüssigkeit in der.ersten Stufe auf die Rotorgeschwindigkeit zu erhöhen.
8. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen Teil des Rotors bildende Flügelturbine in Strömungsrichtung hinter der dritten Stufe angeordnet ist, um die Flüssigkeit aus ihr aufzunehmen, durch die Flügelturbine zum Auslaß des Gehäuses zu führen und hierbei Energie wiederzugewinnen.
9. Verfahren, um eine leichte Flüssigkeit, welche im wesentlichen unvermischbar mit einer schweren Flüssigkeit vermischt ist, zu trennen, bestehend* aus folgenden Yerfahrensschritten:

Drehen dieser Flüssigkeiten, um sie hohen Zentrifugalkräften zu unterworfen, Bewegen dieser Flüssigkeiten axial durch eine erste Zone, in welcher relativ große Tropfen der leichteren Flüssigkeit im wesentlichen radial nach innen durch die schwerere Flüssigkeit verlagert und in Berührung mit im Abstand voneinander angeordneten radialen und axialen Flächengliedern gebracht werden, Entfernen der verlagerten leichten Flüssigkeit,

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Bewegung der verbleibenden schweren und leichten Flüssigkeit, in axialer Richtung durch eine zweite Zone, wo Zentrifugal- und Flüssigkeitsschwerkräfte bewirken, daß die leichtere Flüssigkeit in große Tropfen oder einen Film zusammenfließt, Lösen dieses Films und dieser Tropfen und der schweren Flüssigkeit in einer dritten Zone, in welcher dieser Film große Tropfen bildet und diese Tropfen auf in Abstand voneinander angeordnete radiale und axiale Flächenglieder auftreffen und Entfernen der schweren Flüssigkeit außerhalb der Oberflächenglieder, während das leichtere Material innerhalb dieser Glieder entfernt wird.

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