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Hydrodynamisches Trennverfahren
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Fest-FlUssig-Trennung
von Suspensionen sowie zur Klassierung von suspendierten Feststoffen nach Größe
und/oder Massendichte.
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Das Konzentrieren von Suspensionen bis hin zur Fest-Flüssig-Trennung
stellt ein wichtiges Grundverfahren dar. Sein Ziel ist die Gewinnung einer weitgehend
klaren Flüssigkeit oder eines möglichst hoch konzentrierten Feststoffanteiles. Je
geringer die Dichtedifferenz fest-flUssig ist, desto schwieriger wird die Trennung
auf Grund des Sedimentationsbestrebens der Teilchen. Die Gewinnung von Kristallen
oder amorphen Substanzen aus Lösungen, von wertvollen Schwebstoffen oder Mikroorganismen
aus Grundsubstanzen der Pharmazie oder etwa von Blutbestandteilen aus dem Blutplasma
muß beispielsweise bei gleicher oder nahezu gleicher Massendichte von Feststoff
und Flüssigkeit erfolgen. Auch die Flotation erfordert sensibel auf geringste Dichteunterschiede
reagierende Klassiervorrichtungen.
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In allen Fällen ist für besonders hohe, d.h. wirtschaftliche Ausbeuten
neben dem sauberen Trennerfolg auch eine kontinuierliche Betriebsweise erwUnscht.
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Herkffimmliche Trennverfahren nutzen die Größendifferenz zwischen
Korn und Maschenweite, bzw. Pore (Filtrieren, Sieben), die Dichtedifferenz fest-flüssig
(Absetzen, Dekantieren, Zentrifugieren, Zyklonieren) oder den Strömungsviderstand
der Teilchen im Zusammenwirken mit ihrem Gewicht und Auftrieb (Wirbelschicht) zur
Fest-FlUssi6kTrennung oder zur Klassierung des Feststoffes nach Größe undloder Dichte
aus; (val. Patentschriften
1 149 672, 862 131 und 854 032 oder
zeitscEirift "Aufbereitungstechnik No. 10/1975, Seite 524 bis 529). Für den wirtschaftlichen
Einsatz dieser Verfahren sind allerdings Mindest-Korngrößen oder Dichtedifferenzen
erforderlich.
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Für besonders kleine Korngrößen oder verschwindende Dichtedifferenzen
der Feststoffe werden bei den herkömmlichen Trennverfahren rasch zunehmende Baugrößen
(Absetzervolumen, Zentrifugen- oder Zyklondurchmesser), aufwendige Konstruktionen
(Zentrifugen, Filter), bzw. diskontinuierliche Betribbsweisen infolge stark anwachsender
Absetzzeiten erforderlich (vgl. Patentschrift 1 149 672). Eine deutliche Investitions-
und Betriebskostenzunahme tritt als Folge der Abnahme von Korngröße und/oder Dichtedifferenz
auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bis hinab zu Korngrößen
im unteren-m-Bereich und bis zu gleichen Massendichten von Feststoff und Flüssigkeit
(Dichtedifferenz = 0) bzw. bis zu relativen Dichtedifferenzen der Feststoffteilchen
untereinander von weniger als 10-3 die Fest-Flüssig~trennung, bzw. die Klassierung
des Feststoffes nach Größe und/oder Dichte kontinuierlich zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Suspension laminar durch
ein Strömungsrohr oder einen Kanal geleitet wird und definierte Bereiche der Suspensionsströmung
am Ende des Strömungsrohres abgeleitet werden.
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Nach Durchlaufen ausreichender Strömungswege ergeben sich in dem Rohr
konstanten Querschnittes infolge von Zähigkeits- und Trägheitskräften radiale Fest-Flüssig-Entmischungen.
Die Lage der feststoffmirenden Zonen hängt u.a. ab vom Suspensions-Volumenstrom
im freien Rohrquerschnitt, von der Größe der Teilchen sowie von ihrer Sinkgeschwindigkeit
in der betreffenden FlUssigkeit.
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Nach erfolgter Entmischung müssen am Rohrende durch Verwendung von
z.B. Schneiden oder scharfkantigen kleineren Rohren definierte
Bereiche
der entmischten Strömung so abgezogen werden, daß keine scharfen Umlenkungen der
Stromlinien eintreten.
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Die Klassierung nach der Dichte und die Aufkonzentrierung einer z.B.
aus zwei Feststoffanteilen unterschiedlicher Massendichte bestehenden Suspension
erfolgt zunächst mittels eines schräg gestellten Rohres. Hier wirken sich zusätzlich
zu den Zähigkeits- und Trägheitskräften auch die radialen Komponenten von Gewichts-
und Auftriebskraft auf den Trennvorgang aus. Der leichtere Feststoff wird aus der
oberen, der schwerere Feststoff aus der unteren Rohrhälfte abgezogen. Anschließend
werden die Teilströme, die bereits aus - nach der Dichte klassierten - Feststoffen
bestehen, mit Hilfe jeweils eines senkrechten Rohres aufkonzentriert.
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Der Suspensions-Volumenstrom durch das ungeteilte Rohr bzw. den Kanal
muß bekannt und regelbar sein. Viskosität und Massendichte der Flüssigkeit sollten
bekannt sein, so daß die Reynoldszahl der Rohr- bzw. Kanalströmung bestimmt werden
kann. Diese muß laminar sein. Der Rohdurchmesser sollte etwa das Zehnfache des Korndurchmessers
betragen; die Länge des ungeteilten Rohres sollte den 100 bis 1000-fachen Rohrdurchmesser
ausmachen.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen vornehmlich darin,
daß miteinfachsten Bauelementen, z.B. mit geraden, kreiszylindrischen Rohren a)
in Einfachschaltung eine erhebliche Anreicherung des Feststoffes in der Suspension
oder eine Klassierung des Feststoffes nach Größe oder Dichte, b) durch Hintereinanderschaltung
zunächst eine Dichte- bzw.
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eine Größenklassierung oder beides alsdann eine Anreicherung der
klassierten Komponenten erzielt werden kann.
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Die Betriebsweise ist in beiden Fällen kontinuierlich, Parallelschaltungen
erlauben beliebige Burchsatzateigerungen. Es werden einfache, in der Technik jederzeit
verfügbare (und billige
) Bauelemente verwendet; die Fertigung ist
besonders einfach.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 und
2 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben: Fig. 1 Man zieht aus dem
Ende des freien Rohres 1 oder Kanals definierte Bereiche 3, 4 der bereits entmischten
Suspensionsströmung 5 so ab, daß die Stromlinien 2 der laminaren Strömung keine
scharfen Umlenkungen erleiden und daß die feststofführenden Zonen 3 entsprechend
von den feststofffreien bzw. den feststofführenden (jedoch aus einer anderen SpeziEs
bestehenden) Zonen 4 getrennt werden.
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Im vertikalen Rohr 1 in Fig. 1 sammeln sich die Feststoff-Teilchen
6 infolge der zähigkeits- und trägheitsbedingten Querkräfte in den Kernzonen der
Strömung oder in wandnahen Bereichen, je nachdem, ob Sedimentations-und Strömungsrichtung
der Suspension übereinstimmen oder gegenläufig sind. Nach Fig0 1 werden die im Kern
der Strömung konzentrierten Feststoffteilchen 6 durch ein scharfkantiges Innenrohr
7 innerhalb eines genau definierten Bereiches abgezogen.
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Fig. 2 In schräg stehenden oder horizontalen Rohren 9 erfahren unterschiedlich
schwere Feststoffarten 10, 11 infolge der zusätzlich wirksamen radialen Komponenten
von Gewichts- und Auftriebskraft bei Verwendung von in der Massendichte mit den
Feststoffen nahezu gleicher Flüssigkeiten eine Klassierung nach ihrer Dichte. Der
Effekt der Entmischung aufgrund unterschiedlicher Dichte wird hierbei verstärkt,
wobei jedoch die Entmischungseffekte aufgrund z.B. der Größe der Feststoffteilchen
erhalten bleibt. Nach Fig. 2 werden die leichteren Teilchen in der oberen, die schwereren
in der unteren Rohrhälfte abgezogen. Die Trennung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel
mittels einer scharfkantigen Schneide.
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Feststoffteilchen gleicher Massendichte wie die Flüssigkeit werden
in allen Fällen in einer ringförmigen Zone konzentrisch zur Rohrachse konzentriert.