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Flotationsapparat
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Die Erfindung betrifft einen Apparat sur flotativen Trennung von Stoffen
in einem Zentrifugalkraftfeld, bestehend aus einem ruhenden, zylindrischen und/oder
konischen, vertikal angeordneten Behälter, der mindestens eine tangentiale Zulaufleitung
für die su behandelnden Stoffe und eine zentrale, axiale Austragsleitung für den
Flotationsrückstand aufweist, wobei für den Austrag der aufgeschwommenen Stoffe
eine, den oberen, offenen Rand des Behälters umgebende Überlaufrinne angeordnet
ist.
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Angesichts der zunehmenden Ausnutzung auch armer Lagerstätten, wodurch
bei hohen Verwachsungsgrad der Mineralien eine sehr weitgehende Aufmahlung erforderlich
ist, müssen an die Apparate sur flotativen Behandlung dieser Stoffe gesti#gene Anforderungen
besonders in Bezug auf Leistung, Selektivität und Wirtschaftichkeit gestellt werden.
Ein
rührerloser Flotationsapparat, in dem der Aufschwimmvorgang
durch ein Zentrifugalkraftfeld gefördert wird, zeichnet sich aufgrund des Fehlens
voo mechanisch bewegten Teilen durch Einfachheit aus, wobei ein verbältnismäßig
hoher Druckgradient gleichzeitig den Durchsatz erheblich verbessert.
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Die Erzeugung eines Zentrifugalkraftfeldes erfolgt bekanntermaßen
(Aufbereitungs-Technik, Nr. 10/1964, Seiteo 532 bis 543) durch tangentiales Einleiten
der zu behandelnden Stoffe in einen rotationssymmetrischen, oben offenen Behälter,
der im unteren Bereich mit einem zentralen,axialen Auslaß versehen ist. Bei einer
derartigen Apparatur entstebt ein Strömungsfeld, welches näherungsweise den mathematischen
Gesetzmäßigkeiten einer Wirbelsenkenströmung gehorcht. Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit
in den mittigen Bereichen des Behälters eine solche Größenordnung erreichen, daß
über die sich ausbildende Trombe die anfänglich aufgeschwommenen Stoffe zusammen
mit dem Flotationsrückstand ausgetragen werden.
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Durch den im Bereich der Trombe entstehenden Sog wird somit die Selektivität
stark herabgesetst. tonsequenterweise erfolgt deshalb die Dimensionierung dieser
bekannten
Apparate für solch geringe Einströmgeschwindigkeiten,
daß sich kein nennenswertes Zentrifugalkraftfeld aufbauen kann. Dessen charakteristische
Vorteile wie der hohe Druckgradient und der dadurch bedingte rasche Aufschwimmvorgang
können deshalb nicht genutzt werden.
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Es ist aus der Literatur (Aufbereitungs-Technik, Br. 3/1975, Seiten
156 bis 161) weiterhin bekannt, Plotationsapparate der oben aufgeführten Art im
oberen Bereich zu verschließen sowie mit einem Tauchrohr zu versehen, durch welches
die aufgeschwommenen Stoffe ausgetragen werden. Um die aufgeschwommenen Stoffe in
einer beruhigten Zone austragen zu können, wird die durch die tangentiale Einleitung
erzeugte Rotationsströmung durch Einbau von perforierten Blechen wieder abgebremst.
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Innerhalb des Tauchrohres ist auf diese Weise das Zentrifugalkraftfeld
weitgehend abgebaut. Die einen Abbau der Rotationsströmung besweckenden Einbauten
stellen Jedoch erhebliche Strömungswiderstände dar, die Energieverluste zur Polge
haben und damit die Wirtschaftlichkeit der Apparatur belasten.
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Bei den bekannten Flotationsapparaten wird auf diese
Weise
ein Zentrifugalkraftfeld entweder gar nicht erst aufgebaut oder eine anfängliche
Rotationsströmung wird unmittelbar nach ihrem Entstehen wieder abgebremst.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Blotationßapparat zu schaffen,
der sich durch Einfachheit und Wirtschaftlichkeit auszeichnet und die verfahrenstechnischen
Vorteile eines Zentrifugalkraftfeldes optimal nutzt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelost, daß die tangentiale Zulaufleitung
en für die zu behandelnden Stoffe im unteren Bereich des Behälters angeordnet ist/sind
und daß die Austragsleitung als ein von unten bis in den oberen Bereich des Behälters
hinaufragendes, oben offenes Rohr ausgebildet ist. Aufgrund der im unteren Bereich
des Behälters erfolgenden tangentiaien Zuführung der zu behandelnden Stoffe bildet
sich eine aufsteigende Wirbelsenkenströmung aus, die sich durch einen hohen Druckgradienten
aus-zeichnet. Die für diese Strömungsart charakteristische Trombe wird in das, bis
in den oberen Bereich des Behälters hinaurragende, für den Austrag des Flotationsrückstandes
konzipierte Rohr hineingezogen,
so daß deren insbesondere für die
Selektivität des Flotationsapparates nachteilige Wirkungen ausgeschaltet sind. Die
mit den selektierten Teilchen beladenen Luftblasen folgen dem durch das Zentrifugalkraft
feld erzeugten, radial nach innen gerichteten Druckgradienten.
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Sie unterliegen gleichzeitig mit wachsender Entfernung von der Mantelfläche
des Behälters einer zunehmenden Auftriebskraft, da sich ihr Volumen aufgrund des
in dieser Richtung sinkenden Drucke vergrößert. Der sich sur Mitte hin verstärkende
Auftrieb gewährleistet, daß bei zweckentsprechender Wahl von Blasengröße und Teilchengröße
die flotierbaren Stoffe weit mit Abstand vor dem oben erwähnten Rohr die Oberfläche
erreichen. Der Austrag der aufgeschwommenen Stoffe kann anschließend durch Überlauf
oder durch ein geeignetes, diesen Überlauf unterstützendes Fördermittel eingeleitet
werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Mündungsbereich
des Rohre mit einer REckhaltevorrioktung für die aufgeschwommenen Stoffe versehen.
Diese Rückhaltevorrichtung verhindert,daß die aufgeschwommenen Stoffe von dem an
der Oberfläche zur Mitte hin gerichteten Sog erfaßt und unbeabsichtigt mit ausgetragen
werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht
die Rückhaltevorrichtung aus einem über der Mündung des Rohres angeordneten scbeiben-
oder riogförmigen Schwimmer, der das Niveau der im Behälter befindlichen Stoffe
regelt. Durch ein konstantes Niveau der im Behälter befindlichen Stoffe wird in
Verbindung mit einem einfachen Uberlaufaustrag für die aufgeschwommenen Stoffe vermieden,
das es zu Fehlausträgen kommt.Ein scheiben- oder ringförmiger Schwimmer, der die
Funktion der Miveauregelung übernimmt,benötigt außerdem für seine Steuerung keinerlei
Hilfsenergie,sondern setzt lediglich Auftriebskräfte zum Öffnen oder Schließen des
dem Austrag des Flotationsrückstandes dienenden Robres um.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Behälter für
die Belüftung der zu behandelnden Stoffe mit Düsen ausgerüstet, die eine radiale
Ausströmrichtung aufweisen. Die sich auf diese Weise ergebende Queranströmung ergibt
eine gute Durchmischung von Luftblasen und Flüssigkeitsteilchen, die ein rascbes
Anlagern der Luftblasen an die zu selektierenden Teilchen ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die
Düsen
ale drallerzeugende Ringspaltdüsen mit einstellbarer Ringspaltweite ausgebildet.
Die Ringspaltdüse haben gegendber Düsen mit kreisförmigen Öffnungsquerschnitt den
Vorteil, daß die austretenden Blasen sofort auf eine größere fläche verteilt werden.
Die Durchmischung von Flüssigkeitsteilchen und Luftblasen wird dadurch, daß die
Düsen als drallerzeugende Ringspaltdüsen mit einstellbarer Ringspaltweite auagebildet
sind weiter verbessert.
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Gleichzeitig ergibt sich die Möglichkeit einer Luftblasenerzeugung
von definierter Größenverteilung, so daß auch eine bessere Zuordnung von Teilchengröße
und Blasengruße erreicht werden kann. Auf diese Weise ergibt sich eine schärfere
Trennung der Jeweiligen Stoffe, so daß auch durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen
zur Wirtschaftkichkeit des Plotationsapparates beigetragen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Düsen- in
Strömungsrichtung der zu behandelnden Stoffe gesehen - hinter den Zulaufleitungen
in ungefähr gleicher Höhe angeordnet. Auf diese Weise werden die aus der tangentialen
Zulaufleitung austretenden Stoffe unmittelbar nach erfolgtem Eintritt in den Behälter
der Querströmung der Luftblasen ausgesetzt. Die Anlagerung der
zu
selektierenden Teilchen an die Luftblasen findet unmittelbar nach erfolgtem Eintritt
in den Behälter statt, also in einem turbulenten Strömungsbereich, wohingegen der
weitere AuSstieg zur Oberfläche in atrömungsmechanisch geordneten Zonen erfolgt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel: Es zeigen: Figur 1 eine schematische
Darstellung des erfindungsgemäßen Flotationsapparates im Schnitt; Figur 2 eine andere
Gestaltung der Rückhaltevorrichtung über der Mündung der Austragsleitung im Schnitt.
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Im einzelnen zeigt Figur 1 einen oben offenen zylindrischen Behälter
1, dessen unterer Bereich eine zentrale Öffnung 2 aufweist. Eine Überlaufrinne 3
umgibt die obere Berandung des Behälters 1, wobei ihre äußere Wandung die Wandung
des Behälters 1 überragt. Die Uberlaufrinne 3 weist einen
Ausfluß
4 und ein Ausflußregelorgan 5 aus. Von unten ragt ein Rohrstutzen 6, der durch die
zentrale Öffnung 2 gefübrt ist, bis in den oberen Bereich des Behälters 1 hinauf.
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Der Behälter 1 ist mit einer tangentialen, im Querschnitt rechteckigen
Zulaufleitung 7 versehen, deren Einmündung sich im unteren Bereich des Behälters
1 befindet. Der Behälter 1 weist ferner mehrere Düsen 8 auf, die in der Zeichnung
vereinfacht durch Pfeile dargestellt sina, welche in der Ebene eines Axialschnittes
angeordnet sind, die gegenüber der Einmündungastelle der Zulaufleitung 7 - in Stromungsrichtung
gesehen - versetzt ist. Die Düsen 8 sind vorzugsweise als Ringspaltdüsen mit einstellbarer
Ringxpultweite ausgebildet, wobei die Sinetellung der Ringspaltweite beispielsweise
huber den Zuführungsdruck der Luft im Zusammenwirken mit einem mittels Federkraft
vorgespannten Rückschlagmechanismus erfolgen kann. Dieser Rückschlagmechanismus
soll gleichzeitig sicherstellen, daß bei Ausfall der Luft das Ventil automatisch
schließt.
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Auf diese Weise wird vermieden, daß sich eventuell Feststoffpartikel
in den feinen Spalten festsetzen und auf diese Weise die Funktionsfähigkeit des
Ventils beeinträchtigen können. Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn die
das
Ventil versehende Luft mit einem Drall in den Behälter 1 eintritt. Auf diese Weise
wird die Durchmischung der zu behandelnden Stoffe mit den Luftblasen intensiviert,
die Anlagerung der zu selektierenden Teilchen an die Luftblasen und damit der Trennvorgang
gefördert.
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Den oberen Bereich des Behälters 1 überdeckt ein Flügelrad 9, das
an der Stelle 10 in geeigneten, in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Lagerungen
gelagert ist. Das Flügelrad stebt mit einem Antrieb bekannter Bauart in Verbindung,
der Jedoch in der Zeichnung nicht gezeigt ist.
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Die Schaufeln 11 des Plügelrades 9 reichen radial bis an die Mantelfläche
des Behälters 1 herao und gewährleisten auf diese Weise eine sichere Führung der
aufgeschwommenen Bestandteile zur Überlaufrinne 3. Von besonderem Vorteil ist es,
das Flügelrad 9 feststehend auszuführen. Dabei treffen die in Rotationsbewegung
befindlichen aufgeschwommenen Stoffe auf die ruhenden Scbnufeln 11 und erfahren
eine Ablenkung in Richtung auf die Uberlaufrinne 3 hin.
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Auf diese Weise kann der Energie- und Wartungsaufwand für den Antrieb
des Flügelrades 9 eingespart werden.
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Das Rohr 6 ist mit einer, seinen oberen Bereich umgebenden Rinne 12
umgeben, die der axialen Führung eines Überlaufringes 13 dient. Am Uberlaufring
13 ist ein Bügel 14 befeetigt, der durch die Endpunkte 15 zweier Hebel 16 in der
Höbe fixiert wird. Die Hebel 16 sind an den Stellen 17 Jeweils ortsfest drehbar
gelagert und stehen Uber Gelenke 18 jeweils mit Hebeln 19 in Verbindung. Die Hebel
19 sind ihrerseits mit einem Ring 20 an den Stellen 21 gelenkig verbunden. Der Ring
20 schwimmt auf den im Behälter 1 zu behandelnden Medien, deren Oberflächenprofil
strichpunktiert dargestellt ist. Der Bügel 14 ist in seinem oberen Bereich mit einem
ein Langloch aufweisenden Aufnabmeelement 22 versehen, in dem die Endpunkte 15 der
Hebel 16 vertikal fixiert, jedoch in Richtung der Pfeile 23 verschieblich gelagert
sind. Die Hebelsysteme (16,19) erlauben eine symmetrische,gegenläufige Bewegung
der Endpunkte 15 in Richtung der Pfeile 23 zwischen den Endpositionen 23' und 23".
Eine Bewegung des Ringes 20 in Richtung der Pfeile 24 hat deshalb eine definierte
Gegenbewegung des Ringes 13 in Richtung der Pfeile 25 zur Polge, da eine kinematische
Abhängigkeit zwischen beides Bewegungen besteht.
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Im Betrieb des Apparat tritt das zu behandelnde Medium durch die tangentiale
Eintrittsleitung 7 in den Behälter 1 ein, wobei sich eine nach oben gerichtete Wirbeisenkenstromung
aufbaut. Die mit den Düsen 8 in den Behälter 1 im Querstrom zu den zu behandelnden
Stoffen eingebrachten Luftblasen lagern sich an die zu selektierenden Teilchen an,
wobei ihre anschließende Bewegung durch die überlagerte Wirkung eines radialen Druckgradienten
und der in radialer Richtung zu den mittleren Bereichen des Behälters 1 hin zunehmenden
Auftriebskraft bestimmt wird.
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Auf diese Weise gelangen auch kleine Luftblasen in einem Bereich an
die Oberfläche der von dem aufschwimmenden Ring 20 entfernt ist, so daß letztere
durcb das Flügelrad 9 sicher erfaßt und in die Überlaufrinne 3 ausgetragen werden
können. Der Flotationsrückstand hingegen unterliegt nicht der selektiven Wirkung
der Luftblasen, sondern folgt lediglich der Wirbelsenkenströmung und wird schließlich
huber den Überlaufring 13 in das Rohr 6 ausgetragen. Die huber die Zulaufleitung
1 mit den zu behandelnden Stoffen eingebrachte kinetische Energie wird zu einem
großen Teil huber das Rohr 6 abgeführt, da der Behälter 1 keine Einbauten zum Abbremsen
der Strömung aufweist, eo daß im Verhältnis zu bekannten Apparaten mit einem geringen
Energieaufwand gearbeitet werden kann.
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Figur 2 zeigt eine andere Gestaltung der Rückhaltevorrichtung für
die aufgeschwommenen Stoffe. Letztere besteht aus einem Schwimmer 25 1der im unteren
Bereich einen konischen Ansatz 26 aufweist. Der konische Ansatz 26 ragt in das oben
offene Rohr 6 hinein und gibt je nach dem Niveau der im Behälter 1 zu behandelnden
Stoffe für den abzuführenden Flotationsarückstand einen mehr oder weniger großen
ringspaltartigen Ausströmungsquerschnitt frei, der innen durch den konischen Ansatz
26 begrenzt wird. Der Schwimmer 25 übernimmt auf diese Weise gleichzeitig die Funktion
eines Durchflußregelorganes.
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Der Schwimmer 25 weist ferner in seinem oberen Bereich eine Staukante
27 für die aufgeschwommenen Stoffe auf. Letztere werden unmittelbar nach Erreichen
der strichpunktiert gezeichneten Oberfläche von den Schaufeln 11' eines Flügelrades
9 erfaßt und in die äußeren Bereiche des Behälters 1 gefördert. Das Flügelrad 9'
ist an der Stelle 10' in geeigneten, in der Zeichnung jedoch nur vereinfacht, schematisch
dargestellten Lagerungen gelagert und mit einem ebenfalls nicht dargestellten Antrieb
bekannter Bauart versehen.
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Der erfindungsgemäße Flotationsapparat kann sowohl zur Trennung von
in einer Flüssigkeit dispergierten Feststoffen als auch von Flüssigkeiten eingesetzt
werden. Er findet eine weitere vorteilhafte Anwendung in der unselektiven Abscheidung
aller flotierbaren Stoffe aus einer Flüssigkeit.
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Patentansprüche
L e e r s e i t e