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Diese Erfindung betrifft einen Hydrozyklonabscheider zum Trennen eines Gemisches in eine leichte Fraktion relativ niedriger Dichte und eine schwere Fraktion relativ hoher Dichte, mit einer Trennkammer, welche einen kreisförmigen zylindrischen Abschnitt mit einem tangentialen Einlaß für das Gemisch und einen Mittelauslaß für die leichte Fraktion aufweist, und mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt, welcher einen Auslaß für die schwere Fraktion bildet.
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Hydrozyklonabscheider werden hauptsächlich in der Zelluloseindustrie zur Reinigung der Suspension der Zellulosefasern eingesetzt. Dabei wird die ursprüngliche hochverdünnte Zellulosesuspension in verdünnte, gereinigte Fasern als leichte Fraktion und eingedickte Verunreinigungen als schwere Fraktion getrennt. Durch die fortschreitende moderne Verfahrenstechnologie haben sich die Temperaturen der Zellulosesuspension erhöht, die dazu führen, daß die Viskositäten verringert werden. Mit verminderten Viskositäten und der gleichen Anzahl von Stufen verringert sich das Trennvermögen des Hydrozyklonabscheidersystems; dadurch werden mehr Zellulosefasern mit der schweren Fraktion ausgetragen. Es ist wünschenswert, eine möglichst geringe Menge an Zellulosefasern in der schweren Fraktion zu bekommen. Zugleich ist es vom Umweltschutzstandpunkt aus gesehen erwünscht, den Massenstrom der schweren Fraktion auf einem niederen Niveau zu halten, da in dieser Fraktion die Konzentration der Verunreinigungen hoch ist. Das Problem besteht also darin, ein Gemisch wirkungsvoll in eine leichte Fraktion relativ niedriger Dichte und in eine schwere Fraktion relativ hoher Dichte zu trennen, wobei letztere aus dem Hydrozyklonabscheider in einem minimalen Massenstrom mit hoher Konzentration abgeführt wird.
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Es sind viele Versuche auch im kommerziellen Ausmaß durchgeführt worden, um die Probleme des Verlustes an Fasern und das Verstopfen des Auslasses durch die schwere Fraktion zu lösen. Dabei muß Wasser unter Druck zu den einzelnen Hydrozyklonabscheidern geführt werden, um die schwere Fraktion zu verdünnen und die wertvollen Fasern herauszuwaschen. Im allgemeinen wird Wasser tangential nahe dem Auslaßende für die schwere Fraktion des Hydrozyklonabscheiders oder durch einen Kanal zugeführt, der in einem radialen Abstand von der Wand des Hydrozyklonabscheiders im Auslaßende für die schwere Fraktion endet. Es sind auch Kammern in Betracht gezogen worden, die wie Zylinder oder Kegel gebildet und mit einem tangentialen Einlaß für das Verdünnungswasser versehen und unmittelbar mit dem Auslaß für die schwere Fraktion des Hydrozyklonabscheiders verbunden sind.
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Der kegelstumpfförmige Teil eines Hydrozyklonabscheiders ist auch schon mit axial gerichteten Führungsstangen versehen worden, die so konstruiert sind, daß der schweren Fraktion, die wendelförmig entlang der Wand des kegelförmigen Teiles strömt, eine radial einwärts gerichtete Bewegungskomponente erteilt wird, wobei in gewissem Umfang leichte Komponenten von der schweren Fraktion zu leichten Fraktion gefördert werden, die zu ihrem Auslaß strömt.
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Eine Vergrößerung des Auslasses für die schwere Fraktion ist nicht möglich, da solch eine Ausführung eine zu große Strömung der schweren Fraktion ergeben würde. Weiterhin nehmen die axial gerichteten Führungsstangen einen Bereich im kegelstumpfförmigen Teil der Trennkammer ein. In Anbetracht der Abnutzung, der diese Führungsstangen unterworfen sind, müssen sie radial größer als funktionell erforderlich ausgeführt sein. Die Beseitigung dieses Mangels hinsichtlich der Trennkammer bedeutet indessen eine Verminderung des Kegelwinkels. Dies ist indessen nicht so einfach möglich, da der kegelstumpfförmige Teil der Trennkammer sehr lang sein würde, falls der Durchmesser der Auslaßöffnung der schweren Fraktion beibehalten würde.
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In der US-PS 33 99 770 ist ein Hydrozyklonabscheider beschrieben, bei welchem verhindert werden soll, daß schwere Partikel sich in gleicher Axialposition in dem Hydrozyklonabscheider weiterdrehen, weil dadurch der Verschluß der Innenwand des Hydrozyklonabscheiders verursacht wird. Demzufolge wird dort ein wendelförmiger Weg mit der Innenwand verbunden, um die Partikel mechanisch zu dem Auslaß für die schwere Fraktion zu richten. Dieser wendelförmige Weg erstreckt sich dabei längs der Innenwand zum Auslaß für die schwere Fraktion in der gleichen Richtung wie die Rotationsrichtung des eingeführten Gemisches. Diese Anordnung ist indessen nicht dazu geeignet, um der schweren Fraktion eine Bewegungskomponente zu verleihen, die axial einwärts zu der Trennkammer des Hydrozyklonabscheiders gerichtet ist.
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In der GB-PS 13 49 465 ist ein Hydrozyklon offenbart, welcher an der Innenwand der Abscheidekammer in der Nähe des Auslasses mit sich schraubenförmig erstreckenden Rippen versehen ist. Bei einer besonderen Ausführungsform erstrecken sich diese Rippen zum Auslaß in einer Richtung, die entgegengesetzt zur Drehrichtung des Wirbels innerhalb der Kammer ist.
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Der Grund für die Anordnung der Rippen an der Innenwand besteht darin, den Austrittsweg zwischen ihnen zu begrenzen, damit die schwere Fraktion zum Auslaß strömen kann, unabhängig von den Durchmesserschwankungen des Luftkerns, welcher in der Trennkammer ausgebildet ist, so daß letztlich ein Verstopfen des Auslasses verhindert werden soll.
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Bei diesem bekannten Vorschlag hängt die Richtung der Rippen von dem Gewichtsanteil der Pulpe in dem eingeführten Schlamm, d. h. von der Konsistenz ab. Bei einer niedrigen Konsistenz wird die Richtung der Rippen so gewählt, daß die schwere Fraktion dazwischen in einer Richtung strömt, die entgegengesetzt zu derjenigen der rotierenden Flüssigkeit ist. Der Grund hierfür besteht darin, eine ausreichende Turbulenz zwischen den beiden Strömungen zu erzielen, um das Anschwemmen der Faser und ein Verstopfen des Ausgangsweges zu reduzieren.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Hydrozyklonabscheider der eingangs umrissenen Art zu schaffen, der verhältnismäßig kurz ausgeführt werden kann und bei welchem die erwähnten Nachteile hinsichtlich Faserverluste und eines Verstopfens des Auslasses für die schwere Fraktion vermieden sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:
- a) es ist eine erste Ablenkeinrichtung vorgesehen, welche an der Innenwand des kegelstumpfförmigen Teils angeordnet ist und der wendelförmig längs der Innenwand strömenden schweren Fraktion eine Bewegungskomponente erteilt, welche radial einwärts gerichtet ist;
- b) es ist eine zweite Ablenkeinrichtung an der Innenwand des kegelstumpfförmigen Teils in der Nähe des Auslasses für die schwere Fraktion vorgesehen, welche einen mittleren Durchgang für den Durchfluß der schweren Fraktion freiläßt, wobei diese zweite Ablenkeinrichtung der schweren Fraktion, welche wendelförmig zu dem Auslaß für die schwere Fraktion strömt, eine Bewegungskomponente erteilt, welche axial zu dem zylindrischen Teil der Trennkammer gerichtet ist.
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Diese Anordnung ermöglicht die Verringerung des Kegelwinkels des kegelstumpfförmigen Teiles des Hydrozyklonabscheiders, um Raum für die erste Ablaufeinrichtung in der Form von Führungsstangen zu schaffen, ohne dabei den verfügbaren Trennraum einzuschränken, da die Auslaßöffnung für die schwere Fraktion ziemlich groß sein kann, ohne die Strömung der schweren Fraktion zu groß werden zu lassen.
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Die Vorteile der Erfindung werden infolgedessen durch Kombination der an sich bekannten axialen Führungsstangen mit der zweiten Ablenkeinrichtung erreicht.
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Zweckmäßig erteilt die zweite Ablenkeinrichtung ebenfalls der zu dem Auslaß für die schwere Fraktion strömenden schweren Fraktion eine Bewegungskomponente, welche radial einwärts gerichtet ist.
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Die zweite Ablenkeinrichtung erstreckt sich vorteilhaft in einem wendelförmigen Weg, welcher zum Auslaß für die schwere Fraktion in einer Richtung führt, welche der Rotationsrichtung des zugeführten Gemisches entgegengesetzt ist.
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Mit bekannten Hydrozyklonabscheidern für Zellulosefasersuspensionen verglichen kann erfindungsgemäß der Verlust der Zellulosefasern in der abgeführten schweren Fraktion um mehr als die Hälfte reduziert werden, ohne den Anteil der Verunreinigungen in der gereinigten Zellulosesuspension, d. h. in der leichten Fraktion zu vergrößern. Da sich ein verringerter Anteil der Zellulosefasern in der schweren Fraktion befindet, wird diese Fraktion leichter durch den Auslaß strömen.
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Die Anordnung der zweiten Ablenkeinrichtung ermöglicht die Verwendung von kurzen Hydrozyklonabscheidern mit einem kleinen Konuswinkel. Die zweite Ablenkeinrichtung verursacht dabei einen Druckabfall in der zu dem Auslaß an der Konusspitze strömenden schweren Fraktion, so daß die Geschwindigkeit der schweren Fraktion abnimmt. Wegen dieser geringen Strömungsgeschwindigkeit kann der Auslaßbereich für die schwere Fraktion größer und demzufolge der Konuswinkel kleiner gemacht werden. Da dieser größere Auslaßbereich von einem Mitteldurchgang durch die zweite Ablenkeinrichtung gebildet ist, trägt diese Einrichtung selbst dazu bei, um dem Hydrozyklonabscheider einen kleinen Konuswinkel zu geben.
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Weiterhin kann dieser Auslaß mit einer größeren Öffnung versehen sein. Deshalb sind die Risiken einer Verstopfung praktisch eliminiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 einen Hydrozyklonabscheider im Längsquerschnitt, wobei eine Ablenkeinrichtung perspektivisch dargestellt ist,
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Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,
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Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1 mit einer perspektivischen Ansicht der Anlenkeinrichtung.
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Nach Fig. 1 weist ein Hydrozyklonabscheider einen kreisförmigen, zylindrischen Teil 1 und einen kegelstumpfförmigen Teil 2, einen tangentialen Einlaß 3 für das zu trennende zugeführte Gemisch, einen zentralen Entleerungsauslaß 4 für die leichte Fraktion und einen Auslaß 5 im kegelstumpfförmigen Teil 2 für die schwere Fraktion auf. In dem Teil 2 sind als erste Ablenkeinrichtung 6 vier Führungsstangen vorgesehen, die axial gerichtet und gleichmäßig um den Innenumfang des kegelstumpfförmigen Teils 2 verteilt sind. Diese Führungsstangen sind im Querschnitt in Fig. 2 als symmetrische Rippen ausgeführt. Die Höhe dieser Rippen vergrößert sich in Richtung zu dem Auslaß 5. Zwischen den Führungsstangen und dem Auslaß 5 ist eine zweite Ablenkeinrichtung 7 in Form einer Schraubenbahn vorgesehen, die sich 11/2mal entlang der inneren Wand des kegelstumpfförmigen Teiles 2 windet. Diese Ablenkeinrichtung ist so konstruiert, daß sie der schweren Fraktion, die zu dem Auslaß 5 strömt, eine axiale Bewegungskomponente entgegen der Strömung erteilt, d. h. in Richtung des zentralen Entleerungsauslasses 4 für die leichte Fraktion. Wenn der Hydrozyklonabscheider von dem Einlaßende aus betrachtet wird, bewegt sich die Strömung im Uhrzeigersinn, während sich die Schraubenbahn der Ablenkeinrichtung 7 gegen den Uhrzeigerdrehsinn erstreckt.
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In der gezeigten Ausführungsform neigt sich die Schraubenbahnebene in bezug auf die Horizontalebene gegen den Auslaß 5, so daß der schweren Fraktion, die gegen den Auslaß 5 strömt, ebenfalls eine Bewegungskomponente gegeben wird, die radial einwärts gerichtet ist.
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Dabei ist die zweite Ablenkeinrichtung 7 in solch einer Weise ausgeführt, daß die Entleerungsfläche relativ groß ist, was bedeutet, daß ein freier Durchgang für die schwere Fraktion vorhanden ist.
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Der Hydrozyklonabscheider arbeitet folgendermaßen: Das Gemisch, welches in eine leichte Fraktion relativ niedriger Dichte und in eine schwere Fraktion relativ hoher Dichte aufgetrennt werden soll, wird durch den Einlaß 3 gegeben und fließt schraubenförmig gegen den kegelstumpfförmigen Teil 2 des Hydrozyklonabscheiders. Die Bestandteile der schweren Fraktion neigen dazu, sich nahe an die Wand zu bewegen, wohingegen die Bestandteile der leichten Fraktion dazu neigen, sich in Richtung der Symmetrieachse des Hydrozyklonabscheiders zu bewegen. Jedoch werden einige leichte Bestandteile in der Strömung nahe der Wand verbleiben. Wenn die Strömung die Ablenkeinrichtung 7 erreicht hat, wird ein Hauptteil, nämlich die leichte Fraktion ihre Bewegungsrichtung ändern und mit ihrer Rotationsrichtung unverändert gegen den Entleerungsauslaß 4 strömen, während ein geringer Anteil, d. h. die schwere Fraktion, durch den Auslaß 5 abgeführt wird. Die Strömung wird, wenn sie die erste Ablenkeinrichtung 6 passiert, dazu gezwungen, sich einwärts gegen die Symmetrieachse des Hydrozyklonabscheiders zu bewegen, so daß leichte Bestandteile in Berührung mit der leichten Fraktion gebracht werden, die gegen den Entleerungsauslaß 4fließt. Die zweite Ablenkeinrichtung 7 verhindert, daß ein zu großer Anteil der Strömung durch den Auslaß 5 abgeführt wird. In der gezeigten Ausführungsform, bei welcher die Ablenkeinrichtung 7 mit einer Schraubenbahn versehen ist, welche sich in Relation zur Horizontalebene neigt, werden günstige Strömungsbedingungen in der Nähe der Ablenkeinrichtung 7 erreicht, was zu einem vorteilhaften Trennergebnis beiträgt.