DE3300858A1 - Verfahren und vorrichtung zur separation eines mediums in komponenten mit unterschiedlichen partikelmassen in einem wirbelsystem - Google Patents

Description

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Verfahren und Vorrichtung zur Separation eines Mediums in Komponenten mit unterschiedlichen Partikelmassen in einem Idirbelsystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Separation eines Mdiums in Komponenten mit unterschiedlichen Partikelmassen,gemMB Oberbegriff des Patentanspruches.

Der nachfolgend benutzte Ausdruck "Medium" bezieht sich auf pulverförmige und fasrige, strömende Feststoffsubstanzen, strömende Flüssigkeiten, Flüssigkeitstropfen und Mischungen daraus und der Ausdruck "Partikel" sdII Feststoffpartikel, Flüssigkeitstropfen, Flüssigkeits-Moleküle, Bas-Moleküle oder Gasatome umfassen. Der Ausdruck Separationskammer soll sich beziehen auf verschiedene Turbulenzkammern und ebenso auch auf Strömungsrohre oder Strömungskammern, in denen eine Separation unter Zentrifugalkraftüiirkung stattfindet.

In der Strömungsdynamik ergibt sich für eine frei turbulente Strömung die tangentiale Geschwindigkeit V beim Strömungsradius r nach der Formel (1) V = k. r~¹

Hieraus ergibt sich, daB der Druck im zentralen Bereich eines Wirbels niedriger ist als in den äußeren Bereichen.

-G-

In der Praxis ist die tangentiale Geschwindigkeit in üJirbel-Separatüren aufgrund der Reibung geringfügig niedriger als in einem Wirbel. In handelsüblich verfügbaren üJirbelseparatoren ergibt sich die tangentiale Geschwindigkeit in einem Separationsutirbel nach der Formel

(2) V = k. rⁿ - 1 < η < ο

Auch hierbei ist der Druck im Mittelteil des üJirbels niedriger als an den Randern. In einem Separationswirbel setzt sich die Druckenergie in kinetische Energie um. In der vorliegenden Beschreibung nimmt der Ausdruck "Separatianswirbel" Bezug auf einen Wirbel gemäß Formel (2), dessen Druck im Mittelbereich wesentlich niedriger ist als in den Randbereichen. Falls die Form eines Wirbels anders als kreisförmig ist, kann die Formel (2) angenähert zur Anwendung kommen. In der Strömungsdynamik ist ebenfalls bekannt ein zuangsgeführter Wirbel, bei dem sich die tangentiale Geschwindigkeit nach der Formel

(3) V = k.r

Die Winkelgeschwindigkeit verschiedener Abschnitte eines Wirbels ist demgemäß konstant. Im mittleren Bereich eines Zwangswirbels ist der Druck nicht wesentlich niedriger als in den Randbereichen, da dort keine Umwandlung

von Druckenergie in kinetische Energie stattfindet. Der in dieser Beschreibung benutzte Ausdruck "Zuiangsuirbel" bezieht sich auf einen IJirbel gemäß Formel (3) oder in Annäherung dazu. Falls sich solche ein Wirbel von einem Hreistiiirbel unterscheidet, kann die Formel (3) nur in Annäherung zur Anwendung kommen. Unter "Zwangsuirbel" ist hierbei ein Wirbel zu verstehen, der unter der Wirkung eines äußeren Antriebes steht.

Vorbekannt sind eine Vielzahl von Wirbelseparatoren, mie Zyklone, in denen Wirbel durch zylindrische ader konische Flächen begrenzt sind.

Im allgemeinen hat eine Wirbelkammer glatte Flächen, und die Wand einer Hammer verläuft kontinuierlich in Richtung der turbulenten Strömung. Bspu. sind Multizyklone gebaut worden, durch Anordnung solch unabhängig arbeitender Wirbelseparatoren in Parallelschaltung. Ein Beispiel einer solchen Anordnung stellt der Gegenstand der US-PS 3 7^7 3o6 dar. Zusätzlich zeigen verschiedene Patentdruckschriften Wirbelseparataren, bei denen zwei Wirbel tangential in Hantakt stehen und die die überführung von Partilen einer bestimmten Größe tangential von einem Wirbel in den anderen zulassen.

Die deutache Patentanmeldung P 32 39 Io9.9 offenbart ein Verfahren bei dsm zhiei oder mehr parallel angeordnete Separationswirbel paarweise und seitlich nebeneinander miteinander in Kontakt stehen.

Ein Nachteil derartig vorbekannter üJirbel-Separatoren besteht darin, daß die Zentrifugalkräfte einen zu separierenden Mediumshiirbel gegen die Mußeren Begrenz8ngsflächen drücken. Demgemäß verzögert die Reibung die Bewegung eines üJirbels und verursacht Turbulenzen in Nachbarschaft zu den Wänden. Die Reibung und die daraus resultierende Turbulenz verursacht beträchtliche Energieverluste. Aufgrund der verzögerten Rotationsgeschwindigkeit nimmt die Zentrifugalkraft und demgemäß die Separationskapazität im Bereich der äußeren Peripherie ab, die jedoch die wichtigste Zone für die Separation darstellt. Zusätzlich führt die Turbulenz zur teiluieisen Rückmischung der bereits bewirkten Separation. Die vorbekannten Multizyklone erfordern einen beträchtlichen Raum und sind schwer und massig in der Konstruktion.

Aufgrund der Verluste, die durch Reibung entstehen, ist es sehr schwierig, bei z. Zt. bekannten Wirbel- oder Kreiselseparataren, hohe ülirbelgeschwindigkeiten zu erreichen.

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Es zeigt Bchematisch

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Idirbelsystem, mit einem Zwangsuiirbel zwischen zwei Separationswirbeln;

Fig. 2 einen Querschnitt eines QJirbelsystems nach der Erfindung mit einem Zuiangsuirbel zwischen vier Trennwirbeln;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Separatorsystems nach der Erfindung;

Fig. k einen Schnitt längs Linie IV-IU gemäß Fig. 3;

Fig. 5 einen axialen Schnitt durch das Separatorsystem gemäß der Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt längs Linie VI-VI gemäß Fig. 5;

Fig. 7 perspektivisch eine Ausführungsform eines Strömungstellers;

Fig. 8 perspektivisch eine andere Ausführungsform eines Strömungsteilers;

Fig. 9 eine Querschnittsvariante einee Strömungsteilers gemäß Fig. 8;

Fig.Io einen Schnitt längs Linie X-X gemäß Fig. 8;

Fig.11 einen Teilschnitt der Ausführungsform einer tangentialen Zuführung gemäß Fig. 6;

Fig.12 perspektivisch ein Separatorsystem mit konischen ül ir be In;

- Ια -

Fig.13 perspektivisch Strömungsteiler in einem Separatorsystem, bei dem die Wirbel konisch sind und

Fig.Ik perspektivisch ein Separatorsystem nach der Erfindung, bei dem die lilirbel in axialer Richtung übereinander angeordnet sind.

Das wesentliche Anliegen im vorliegenden Fall besteht darin, den Hontakt zwischen einem Separationswirbel und einer Fläche, die diesen Wirbel an der äußeren Peripherie begrenzt, zu reduzieren und die Nachteile, die sich aus einem solchen Hontakt ergeben, zu beseitigen. Zu diesem Zweck ist ein Teil der Fläche, die den Wirbel in seiner äußeren Peripherie bestimmt oder begrenzt, entfernt.

Die Tragujirkung der Fläche, die den Wirbel nach innen zwingt, wird kompensiert, indem ein Separationswirbel und ein Zwangswirbel während ihrer Rotation miteinander kollidieren, wobei diese Wirbel aufeinander stoßen. Die Wirbel, die miteinander unter einem kleinen Winkel kollidieren, verursachen keine Turbulenz, und es findet kaum eine Reibung zwischen ihnen statt unter der Uoraussetzung, daß die Ratationsgeschwindigkeiten gleich sind. Ein Separationswirbel wird aufgrund seiner stärkeren Zentrifugalkraft nahezu kreisförmig ausgeformt mit einer daraus resultierenden Reduktion eines Energieverlustes, der sich aus einer Winkelkonfiguration ergibt.

Die Figuren zeigen bspid. einige Ausführungsformen der Vorrichtung und verdeutlichen deren Wirkungsweise. In der Realität können eine Vielzahl von Varianten der AusfUhrungsform in Betracht gezogen werden. Die Formen und Abmessungen der Vorrichtung ergeben sich nach der jeueiligen Zielsetzung der Separationsaufgabe. Hierfür sind experimentelle Erfahrungen und theoretische Überlegungen maßgebend und stehen assistierend zur Verfugung.

In den Figuren sind bezeichnet mit 1 eine Fläche, die den Wirbel der Peripherie begrenzt, mit 2 der Strömungsttieg eines Separationsuirbels, mit 3 der Strömungsitieg eines Ziuangsüjirbels, mit Io eine Wirbelkammer für einen Separations- oder einen Zwangswirbel, mit 12 ein tangentiales Einlaßrohr, durch das zu trennende Partikel in einen Separationsraum eintreten, mit 13 ein axiales AuslaßrDhr für Partikel, die nach der Separation eine geringere Masse haben, mit Ik ein Auslaßrohr für Partikel die nach der Separation eine größere Masse haben, mit 39 ein Strömungsteiler für die Trennung verschiedener Wirbel voneinander, mit ka eine Kollisionszone, in der ein Separationswirbel und ein Zwangsbjirbel miteinander kollidieren und mit hl der Deckel einer Turbulenzkammer.

Die Fig. 1,2 zeigen Separarationswirbel 2, die in Hochgeschwindigkeitsratation versetzt sind, und die einen dazwischen befindlichen Zwangswirbel 3 in Drehung versetzen, wobei der Zwangswirbel 3 seine Energie von den SeparationBwirbeln 2 erhält, die ihm zugeordnet sind. Der Zwangswirbel 3 funktioniert wie ein Lager zwischen den beiden Separationswirbeln 2, ohne dabei aktiv an der tatsächlichen Separation teilzunehmen. Im Prinzip kann das im Zwangswirbel 3 befindliche Material seine Kreisbahnen kontinuierlich durchlaufen. In der Praxis wird sich jedoch auch die Materialzusammensetzung im Zwangsiwrbel 3 graduell ändern. In erster Linie wird die schwerere Komponente einer zu trennenden Mischung dazu neigen, sich im Zwangswirbel 3 zu akkumulieren. LJm diese abzuführen, ist es möglich, einen individuellen Auslaß für den Zwangswirbel vorzusehen. Der Deckel und der Boden eines Zwangswirbels Bind im allgemeinen geschlossen, aber ihre Konstruktion kann so vorgesehen sein, daß sie gewölbt oder ausgehöhlt ausgebildet sind.

Die Seitenansicht gemäß Fig. 3 stellt ein üJirbelsystem mit vier mal vier zusammengekoppelten Wirbeln, bzw. LJirbelkammern dar. Zufuhrelemente sind in dieser Figur nicht dargestellt.

Die Zufuhr eines zu separierenden Mediums kann axial ader tangential erfolgen. Im Fall gemäß Fig. 3 werden die zu trennenden Fraktionen in axialer Richtung abgeführt, aber eine tangentiale Abführung ist ebenfalls möglich. Die Beschickung der Separatiansuiirbel 2 kann ebenfalls bewirkt werden über bzw. durch den Zwangswirbel 3.

Die Schnittdarstellung eines ülirbelsystems gemäß Fig. k zeigt, daß die individuellen Wirbel oder Turbulenzkammern la die gleiche Größe haben. In diesem Falle bestehen die Strömungsteiler 35 aus vier glatten Abschnitten einer ZylinderflSche. Die Größe der Strömungsteiler 39 kann beträchtlich variieren. Selbst extrem schmale Strömungsteiler 39 sind möglich.

Der Schnitt gemäß Fig. 5 zeigt ein tdirbelsystem mit tangentialen Einlassen 12, die jeweils zwischen einem Trennwirbel und einem Zwangswirbel 3 angeordnet sind. Fig. 6 zeigt die korrespondierenden tangentialen Einlasse van oben. Fig. 7 zeigt einen Strömungsteiler 39, der in Strömungsrichtung der Wirbel mit kanalartigen Nuten ausgestattet ist, mit scharf-en Rippen dazwischen. Dank einer solchen Form ist es möglich, die Form eines axialen Schnittes deB Wirbels 2 in verschiedenen Abschnitten der Rotation zu modifizieren.

- Ik -

Innerhalb der Kollisionsfläche ^a individueller Wirbel 2,3 ist die Zwischenfläche solcher Wirbel in axialer Richtung linear. Wenn die Partikel ah einen Wirbel- bzw. Strömungsteiler 39 gemäß Fig. 7 ankommen, uerden die Partikel gezwungen, sich auch partiell in axialer Richtung zu bewegen. Auf diese Ueise sind die Partikel, die unterschiedliche Massen haben, in der gewünschten Separationsrichtung leichter in der Lage, aneinander vorbeizukommen. Was den Strömungsteiler 39 betrifft, so kann gerade die Fläche, die gegen einen Separationsuirbel 2 gerichtet ist, kanalförmig ausgebildet werden, während der Teil, der einem Zwangswirbel 3 gegenübersteht, glatt ist. Bei den Ausführungsformen eines Strömungsteilers 39 nach den Fig. S,9,la ist ein Axialschnitt wellenförmig vorgesehen. Zwischen den wellenförmigen Rippen befinden sich entsprechend wellenförmige Ausnehmungen, in die die Wirbel 2,3 hineingezwungen werden.

Eine regelmäßige Formgebung eines Wirbels 2 in axialer und radialer Richtung verbessert die Separation.

Fig. 11 zeigt im Detail eine mögliche Ausführungsform zur Anordnung eines tangentialen Einlasses 12, wie in Fig. 5,6 angedeutet. Die Fig. 12,13 zeigen eine Ausführungsfarm, bei der konische Wirbelkammern vorgesehen sind.

Die Breite einer Kollisionsfläche ka kann,ujle gewünscht, ausgewählt werden. Strömungsteiler 39 können flach konische Flächen haben oder sie können wellenförmig oder in Strömungsrichtung des Wirbels 2 geriffelt sein oder in axialer Richtung genutet.

Fig. Ik zeigt ein üJirbelsystem, bei dem die üJirbel in axialer Richtung übereinander angeordnet sind. Die Zufuhr eines zu trennenden Mediums wird am oberst zentralen Wirbel bzw. der obersten zentralen Wirbelkammer bewirkt, von der aus einige der Partikel seitlich in andere Wirbel gelnagen können, die darunter angeordnet sind.

Claims (12)

Uk 632) Patentansprüche:

1. Verfahren zur Separation eines Mediums in Komponenten mit unterschiedlichen Partikelmassen mit Hilfe der Zentrifugalkraft in Vorrichtungen mit freier Turbulenzströmung, bspw. Zyklonen, derart, daß Partikel mit größerer Masse während der Rotationsbewegung in den Mußeren Bereichen eines Separationswirbels konzentriert werden und Partikel mit geringerer Masse in Bereichen zum Rotationszentrum hin, dadurch gekennzeichnet, daß ein Separationswirbel (2) und ein Zwangswirbel (3) paarweise in seitlichem Kontakt zueinander und miteinander unter einem Winkel von D- 90 während ihrer Rotation in entgegengesetzten Richtungen zur Kollision gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander angeordneten Wirbel (2,3) ein Wirbelsystem bilden, in dem die Rotationszentren C+9), in axialer Richtung gesehen, ein regelmäßiges Viereck bilden.

3. V/erfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel einander zugeordneten Wirbel (2,3) zu einem ülirbelsyatem ausgebildet sind, in dem der Zmangsmirbel (3) peripher umgeben ist durch eine Vielzahl von Separationswirbeln (2)

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel einander zugeordneten Wirbel (2,3) zu einem LJirbelsystem ausgebildet sind, in dem der Separationsuirbel (2) peripher von einer Vielzahl von Zuangsuirbeln (3) umgeben ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach jedem der Ansprüche 1 bis'^₁ dadurch gek'-ennzeichnet, daß die parallelen Turbulenz- oder Wirbelkammern (lo) paarweise und teilweise miteinander Kollisionsfliehen (*»·), für die kollidierenden parallelen Wirbel (2,3) bilden, die in entgegengesetzten Richtungen rotieren.

G. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr (12) für ein zu trennendes Medium in Richtung auf die Kollisionsfläche (1*0 zwischen den üJirbelkammern (lo) wirksam angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tilirbelkammern(la) im Sinne eines regelmäßigen Vierecknetzes parallel zueinander angeordnet sind.

8· Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wirbelkammer (lo) von anderen üJirbelkammern (lo) peripher umgeben ist.

9. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen vier parallelen Idirbelkammern (lo) ein Strömungsteiler (39) mit vlerarmigem Querschnitt angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsteiler (39) in Bewegungsrichtung eines Separationsuiirbele (2) genutet ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsteiler in Bewegungsrichtung eines Separationsuirbels (2) geriffelt ausgebildet ist.

12. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach

Anspruch 3 und k, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Uirbelkammern (la) in axialer Richtung übereinander angeordnet sind.