DE3410423C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 5.

Die Anwendung von Zentrifugen bei der Trennung von Stoffgemi­ schen ist insbesondere in der Chemie, der Pharmazie und der Aufbereitungstechnik gut bekannt. Hierbei werden Schub- und Schälzentrifugen verwendet.

Mit den bekannten Schubzentrifugen sind hohe Durchsätze, bzw. eine hohe Trennleistung zu erzielen, indes können mit einer Schubzentrifuge nicht immer die hohen Produktreinheiten, die niedrigen Produktfeuchten, die guten Filtratklarheiten und hohen Reinheiten der Mutter- und Wasch­ flüssigkeit wie z. B. bei einer Schälzentrifuge erreicht werden.

Bei der Schälzentrifuge wird jeweils eine bestimmte Menge Stoffgemisch in eine Filtertrommel eingefüllt, welche danach bis zur vollständigen Trennung der festen und flüssigen Stoff­ bestandteile rotiert wird. Der in der Trommel verbleibende Feststoffkuchen wird nach dem Trockenschleudern ausgeschält. Bei Schälzentrifugen ist die Durch­ satzmenge, also die Trennleistung, meist relativ gering. Da beim Herausschälen des Feststoffkuchens die einzelnen Chargen nach­ einander verarbeitet werden, muß wegen der verschiedenartigen Anforderungen der Einzelschritte die Drehzahl der Schälzentri­ fuge innerhalb der Chargendauer häufig geändert werden, was sehr energieaufwendig sein kann. Wegen der hohen Schälkräfte ist der konstruktive Aufwand bei derartigen Zentrifugen unter Umständen sehr hoch. Auch besteht die Gefahr von nicht vorhersehbaren Ratterschwingungen. Schließlich läßt auch die Kornschonung bei Schälzentrifugen meist zu wünschen übrig, da die Schälmesser die Partikel des Feststoff­ kuchens äußerst grob behandeln. Die Durchsatzleistung wird im allgemeinen bei Schälzentrifugen durch das Liegenbleiben einer Restschicht nachteilig beeinflußt. Diese Restschicht kann durch Feinstpartikel verstopfen oder vom Schälmesser zugeschmiert werden. Das Vorhandensein einer Restschicht ist bei Schälzen­ trifugen wegen der Art des Feststofftransports not­ wendig. Bei der Schälzentrifuge bilden die Feststoffteilchen während des Waschvorganges ein starres Kuchengerüst und werden nicht umgewälzt.

Da Schubzentrifugen mit einem in Achsrichtung nicht abgeschlos­ senen Filtrationsraum arbeiten, können hiermit Stoffgemische mit geringen Feststoffkonzentrationen wegen der Gefahr der Schichtüberflutung nicht immer verarbeitet werden. Auch lassen sich mit Schubzentrifugen keine von Feststoff weitgehend befreiten Filtrate erzeugen, da Filtermedien mit feinen Maschenwei­ ten nur schwer einsetzbar sind und sich in der Aufgabezone der Schubzentrifuge durch die ständige Bewegung der Feststoffteilchen gegen­ einander und auf dem Filtermedium ein starres Feststoff­ bett wie bei einer Schälzentrifuge nicht immer ausbilden kann, welches den Feststoffverlust ins Filtrat weitgehend verhindern würde. Auch ist der ständig bewegte Spalt zwischen dem Schubboden und dem Filtermedium zum Erreichen von möglichst klaren Filtraten ungünstig. Weiterhin ist bei Schubzentrifugen eine gute Trennung von Mutter- und Waschflüssigkeit schwierig. Auch werden die Körner bzw. Feststoffpartikel in einer Schubzentrifuge durch die häufigen Schubbewegungen oft übermäßig strapaziert. In Schubzentrifugen kann häufig nicht genügend Waschflüssigkeit auf den Kuchen aufge­ geben werden, weil dieser sonst von der Waschflüssigkeit überflutet würde und die Waschflüssigkeit dann ungenutzt abfließen würde.

In der Kuchenbildungszone kann der Spiegel der abzutren­ nenden Flüssigkeit nicht über das Niveau des Feststoffkuchens hinaus erhöht werden. Dies gilt z. B. auch für eine nach der FR 12 26 010 bekannten Schubzentrifuge, bei der das Stoffgemisch in einem Kuchenbildungsraum zentrifugiert wird und der Kuchen aus dem Kuchenbildungsraum sukzessive in weitere Be­ handlungsräume überführt und dort zur Entfeuchtung geschleudert wird. Hiernach ist der Feststoffkuchen der innersten oder der äußersten Stufe allenfalls mit einer Sprühwaschung, nicht je­ doch mit einer überflutenden Waschung waschbar, bei der sich ein geschlossener Flüssigkeitsspiegel über dem Feststoffkuchen aus­ bildet. Der Feststoffkuchen kann somit nicht überflutet werden, und zwar weder von Mutterlauge noch von Waschflüssigkeit. Bei einer Überflutung des Feststoffkuchens würde nämlich die Flüs­ sigkeit in den nicht filtrierenden Feststoffabwurfraum der in­ nersten Zentrifugenstufe abfließen und sich dort unfiltriert ansammeln. Hierdurch würde der Kuchen der innersten Stufe aus­ gewaschen und weggeschwemmt, so daß sich die zu trennende Sus­ pension durch die so gebildeten Gräben in den Feststoffabwurf­ raum ergießen würde. Eine derart betriebene Zentrifuge könnte ihre Funktion also nicht erfüllen.

Bei einer Zentrifuge gemäß der FR 12 26 010 kann sich der Feststoffkuchen wie bei herkömmlichen Schubzentrifugen nur auf einer verhältnismäßig geringen Fläche des Kuchenbildungsraumes ausbilden, nämlich in der Lücke zwischen dem schon aufgebauten und nach vorn geschobenen Feststoffdamm und dem zurückfahrenden Schubboden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Trennen von Fest-Flüssig-Stoffgemischen, und zwar auch solcher mit geringen Feststoffkonzentrationen, vorzuschla­ gen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Ver­ fahrens zu schaffen, mittels derer sowohl hohe Durchsätze bzw. eine hohe Trennleistung wie bei einer Schubzentrifuge als auch hohe Produktreinheiten, niedrige Produktfeuchten, gute Filtrat­ klarheiten und hohe Reinheiten der Mutter- und Waschflüssigkeit wie bei einer Schälzentrifuge erzielt werden und außerdem eine beiden Zentrifugentypen überlegene Kornschonung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.

Beim Verfahren wird im ersten Verfahrensschritt auf der gesamten Vorentwässe­ rungsfläche innerhalb des im übrigen dicht abgeschlossenen Rau­ mes durch Überflutung ein Feststoffkuchen gebildet, wel­ cher den Verlust von Feinanteilen im Filtrat verhindert. Die Filtrationsrate pro Flächeneinheit und damit der Durchsatz ist größer als bei herkömmlichen Schubzentrifugen, da die Anfangs­ füllhöhe der Suspension höher ist. Dieser Vorteil beruht dar­ auf, daß die Menge der pro Zeiteinheit abfiltrierten Flüssig­ keit ungefähr proportional der über dem Filtermedium stehenden Flüssigkeitshöhe ist, d. h. je höher die Flüssigkeitshöhe im Kuchenbildungsraum ist, um so höher ist auch der Durchsatz der Zentrifuge.

Durch Bildung des Feststoffkuchens mittels Überflutung auf der gesamten Vorentwässerungs- bzw. Filtrationsfläche bleibt die wirksame Fläche immer gleich groß, im Gegensatz zu herkömmli­ chen Schubzentrifugen, bei denen sich der maximal mögliche Durchsatz nach der Filtrationsfähigkeit des Kuchens in der Auf­ gabezone im Augenblick der größten Kompression und der klein­ sten zur Verfügung stehenden Filtrationsfläche richtet. Es kön­ nen somit sehr viel niedriger konzentrierte Suspensionen als mit bekannten Schubzentrifugen verarbeitet werden. Die Filtra­ tionsgeschwindigkeit ist nach dem Verfahren gemäß der Erfindung auch deshalb erheblich höher als bei herkömmlichen Schubzentri­ fugen, weil der Feststoffkuchen während der Filtration nicht axial durch den Schubboden komprimiert und so die Filtration behindert wird.

Wenn der Feststoffkuchen vorentwässert ist, d. h. wenn sich ge­ rade keine Flüssigkeit mehr über dem gebildeten Feststoffkuchen befindet, wird er im zweiten Verfahrensschritt in einem Zuge in einen oder mehrere weitere Behandlungsräume überführt. Hier wird der Kuchen trockengeschleudert und durch vorwiegend axia­ les Verschieben ausgetragen, während im Kuchenbildungsraum be­ reits ein weiterer Kuchen gebildet werden kann.

Es wird dadurch eine hohe Kornschonung erreicht. Mit der Überführung des Feststoffkuchens wird dieser umgelagert und hierdurch die Struktur des Kuchens aufgelockert und neuorientiert.

Der vorgesehenen Maßnahme der Überführung bzw. des Umlagerns der Feststoffpartikel liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß sich während des Schleuderns im Feststoffkuchen Mikrostrukturen, d. h. sogenann­ te "Zwickel" bilden, in denen die Kapillar- und Adhäsionskräfte die Zentrifugalkräfte überwiegend, so daß letztere die Flüssig­ keit nicht aus dem Feststoffkuchen zu treiben vermögen. Durch die Umlagerung werden die Zwickel auch für Waschflüssigkeit besser zugänglich. Auch bilden sich im Feststoffkuchen konzen­ trisch zur Rotationsachse sogenannte Sperrschichten, welche ebenfalls die Abtrennung der Flüssigkeit behindern. Durch die Umlagerung, also die Auflockerung und Neuori­ entierung der Struktur des Feststoffkuchens, werden sowohl die nachteiligen Sperrschichten als auch die genannten Mikrostruk­ turen aufgelöst, so daß die Stofftrennung wesentlich verbessert wird.

Der Feststoffkuchen kann vor der Über­ führung innerhalb des geschlossenen Raumes mit beliebig viel Waschflüssigkeit überflutend gewaschen und zwischengeschleudert werden, was zu einer höheren Wascheffektivität als bei den be­ kannten Schubzentrifugen führt. Die Trennung von Mutterlauge und Waschflüssigkeit kann dabei zeitlich hintereinander erfol­ gen.

Das Verfahren hat auch den Vorteil, daß die Arbeitszeiten der beiden Räume je nach dem zu trennenden Stoff­ gemisch unterschiedlich einstellbar sind, so daß die gewünschte Qualität des Produktes erreichbar ist, ohne daß ein "Stau" in der Zentrifuge entsteht. Stellt sich beispielsweise heraus, daß die Trockenschleuderung im Verhältnis zu den Vorgängen im Ku­ chenbildungsraum übermäßig viel Zeit beansprucht, so kann eine intensivere Vorentfeuchtung in dem Kuchenbildungsraum durch eine verlänger­ te Rotationsdauer erreicht werden, so daß die Trockenschleude­ rung weniger Zeit beansprucht. Insgesamt lassen sich also die Betriebsparameter, insbesondere die Rotationszeiten und Chargen in den einzelnen Räumen so einstellen, daß sich der Durchsatz des Materials durch die Zentrifuge ohne Bildung eines sogenann­ ten "Engpasses" optimieren läßt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Kuchenbildungsraum und der Behandlungsraum im Bereich zwischen Trommelbord und Schubboden etwa zylinder­ förmig sind und der Behandlungsraum zumindest über einen weiteren Bereich seiner Axialerstreckung konisch ausgebildet ist. Bei dieser An­ ordnung ist also der Kuchenbildungsraum konzentrisch innerhalb des Behandlungsraumes angeordnet, so daß der in dem Kuchenbil­ dungsraum gebildete Feststoffkuchen radial auswärts unter Umla­ gerung in den Behandlungsraum fällt. Durch die konische Ausbil­ dung des Behandlungsraumes läßt sich die in den konischen Ab­ schnitt gelangende Masse beim Trockenschleudern in Richtung auf den Endabschnitt mit dem größeren Durchmesser des Behandlungs­ raumes leicht verschieben.

Das tan­ gentiale Feststoffaustragsgehäuse ergibt einen schonenden Austrag des Feststoffes.

In vorteilhafter Weise ist am Trommelbord ein z. B. scheiben­ förmiges Stützgewebe mit einem Sieb angeordnet. Dadurch wird der Ab­ fluß insbesondere der im Kuchenbildungsraum überstehenden Flüs­ sigkeit erleichtert.

Ein am Trommelbord angeordnetes Siphonsystem mit einer Siphon­ tasse und einem Siphonschälrohr ermöglicht bei fehlenden Boh­ rungen im Mantel der Innentrommel und fehlender Seitenfiltra­ tion einen Filtratabfluß durch Bohrungen im Trommelbord.

Nachfolgend sind das Verfahren und die Vor­ richtung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Vor­ richtung und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausgestaltung des in Fig. 1 umrandeten Bereiches A.

Gemäß Fig. 1 ist die Vorrichtung als Horizontal-Zentrifuge aus­ gestaltet. An der Hohlwelle 1 ist eine rotierende, axial nicht bewegliche Außentrommel 2 befestigt, die einen Behandlungsraum 3 umschließt. An der Innenseite der Außentrommel 2 ist ein Fil­ ter angeordnet. Es weist einen zylindrischen Bereich 70 a und einen sich daran anschließenden konischen Bereich 70 b auf. Am Ende mit dem größeren Durchmesser des konischen Bereiches 70 b ist ein tangentiales Feststoffaustragsgehäuse 13 mit einem Austragstutzen 14 angeordnet.

Ein Filtratgehäuse 15 dient dem Aufnehmen der abgetrennten Flüssigkeit.

Konzentrisch mit der Außentrommel 2 ist eine Innentrommel 5 mit einer Schubscheibe 34 an einer axial beweglichen Schubstange 4 angeordnet, welche in der Hohlwelle 1 gelagert ist. Beide Trom­ meln rotieren um eine gemeinsame Rotationsachse 30.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel rotiert die Schubstange 4 mit derselben Drehzahl wie die Hohlwelle 1, so daß die beiden Trommeln 2 und 5 die gleiche Winkelgeschwindigkeit haben. Die Schubstange 4 ist in Richtung des Doppel-Pfeiles 40 axial be­ weglich, so daß auch die an ihr befestigte Innentrommel 5 axial bewegbar ist.

Mittels eines Bolzenkranzes 7 ist an der Außentrommel 2 orts­ fest ein Schubboden 8 mit einem Dichtring 9 befestigt. Der Schubboden 8 schließt einen Kuchenbildungsraum 32 innerhalb der Innentrommel 5 an einer axialen Stirnseite dicht ab. Die gegen­ überliegende Stirnseite des Kuchenbildungsraumes 32 wird durch ein Trommelbord 10 abgeschlossen, welches einen konstanten Ab­ stand zum Schubboden 8 aufweist.

Über ein Einlaufrohr 12 wird das zu trennende Stoffgemisch in den Kuchenbildungsraum 32 eingegeben. Die Schubstange 4 ist da­ bei so eingestellt, daß der Kuchenbildungsraum 32 vom Trommel­ bord 10 einerseits und vom Schubboden 8 andererseits dicht ab­ geschlossen ist. Ein mit der Innentrommel 5 verbundenes Filter 6 ermöglicht den Austritt von Flüssigkeit aus dem Kuchenbil­ dungsraum 32, welche im Filtratgehäuse 15 aufgefangen wird. Oberhalb des Filters 6 bildet sich im Innenraum 32 ein Fest­ stoffkuchen 50 a, welcher während der Kuchenbildungsphase und der Waschphase überflutet ist.

Nachdem eine Charge im Kuchenbildungsraum 32 nach ihrem Einfül­ len unter Kuchenbildung durch Filtration/Sedimentation vorge­ trennt ist, kann der Kuchen durch Zwischenschleudern vorent­ feuchtet werden. Sodann kann der Feststoffkuchen 50 a - bei Be­ darf mehrmals - mittels einer Waschflüssigkeit überflutend ge­ waschen werden.

Danach wird die Schubstange 4 gemäß dem Pfeil 40 in Fig. 1 zu­ sammen mit der Innentrommel 5 und dem Filter 6 nach rechts be­ wegt, wobei das Trommelbord 10 und der Schubboden 8 ortsfest stehenbleiben, so daß der Feststoffkuchen 50 a aus dem Kuchen­ bildungsraum 32 in den Behandlungsraum 3 fällt. Bei dem Heraus­ fallen des Feststoffkuchens aus dem Kuchenbildungsraum 32 wer­ den die dort gebildeten Kuchenstrukturen, insbesondere schlecht filtrierende Sperrschichten oder Gebiete mit besonders hohen Verunreinigungen, aufgelöst und die Feststoff-Partikel arran­ gieren sich neu. Die Schubstange 4 bewegt sich gemäß Fig. 1 so­ weit nach rechts, daß die gesamte Feststoff-Charge aus dem Ku­ chenbildungsraum 32 auf den zylindrischen Bereich 70 a des Filters auffällt. Sodann bewegt sich die Schubstange 4 nach links, wobei die Schubscheibe 34 die im zylindrischen Bereich 70 a des Filters angesammelten Feststoffe nach links auf den konischen Bereich 70 b des Filters schiebt. Dort wird der Feststoffkuchen 50 b entfeuchtet, wobei das Filter den Durch­ gang der Flüssigkeit in das Filtratgehäuse 15 ermöglicht.

Die Neigung des konischen Bereichs 70 b des Filters ist so gewählt, daß sich der Feststoffkuchen 50 b mit geringer Schub­ kraft in Richtung auf das tangentiale Feststoffaustragsgehäuse 13 bewegen läßt, von wo die Feststoffe über den Austragsstutzen 14 aus der Vorrichtung abgeführt werden.

In Fig. 2 ist der in Fig. 1 umrandete Bereich A im einzelnen dargestellt. Zusätzlich zu der bekannten Filtration durch Boh­ rungen 16 am Umfang der Innentrommel 5 kann eine sogenannte "Seitenfiltration" angewandt werden: Ein am Trommelbord 10 be­ festigtes Stützgewebe 17 mit einem Sieb 18 erleichtert den Abfluß insbesondere der im Kuchenbildungsraum 32 überstehen­ den Flüssigkeit 60 durch Bohrungen 19.

Ein am Trommelbord 10 befestigtes Siphonsystem 36 mit einer Si­ phontasse 20 und einem Siphonschälrohr 21 ermöglicht bei feh­ lenden Bohrungen 16, 19 und/oder fehlender Seitenfiltration einen Filtratabfluß durch Bohrungen 25. Dabei wird die Diffe­ renzhöhe H der Flüssigkeitssäule unter dem Filter 6 des Kuchen­ bildungsraumes in bekannter Weise wirksam.

Claims (12)

1. Verfahren zum Trennen von Fest-Flüssig-Stoffgemischen mit­ tels einer Zentrifuge, insbesondere zum Filtratrieren und/oder Sedimentieren von Feststoffen aus Suspensionen, bei dem aus dem Stoffgemisch in der Aufgabezone der Zentrifuge auf einer Vorentwässerungsfläche ein Feststoffkuchen gebildet, gewaschen und anschließend im nassen Zustand an einen an­ deren Ort innerhalb der Zentrifuge überführt wird, wo er trockengeschleudert und schließlich aus der Zentrifuge aus­ getragen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Bildung des Feststoffkuchens durch Überflutung auf der gesamten Vorentwässerungsfläche innerhalb eines im übri­ gen dicht abgeschlossenen Raumes;
• b) Überführung des gesamten vorentwässerten Feststoffku­ chens in einem Zuge in mindestens einen weiteren Behand­ lungsraum zum Trockenschleudern und Austragen

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Feststoffkuchen vor der Überfüh­ rung innerhalb des geschlossenen Raumes überflutend gewa­ schen und zwischengeschleudert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Feststoffkuchen vor dem Waschen durch Zwischenschleudern entfeuchtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Feststoffkuchen durch Zentrifugal­ kraft in einen oder mehrere Behandlungsräume abgeworfen und unter weiterer Entwässerung auf einer geeigneten Entfeuch­ tungseinrichtung zum Austrag hin bewegt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, bestehend aus einer Zentrifuge mit einem Kuchenbil­ dungsraum, der zur Bildung des Feststoffkuchens und gleich­ zeitig zu dessen Vorentwässerung dient, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kuchenbildungsraum (32) durch axial und radial verlaufende Umschließungswände ge­ bildet ist, wobei zumindest in der axialen Erstreckung des Kuchenbildungsraumes (32) eine über dessen gesamte Länge reichende Vorrichtung zur Vorentwässerung des Feststoffku­ chens (50 a) angeordnet ist und daß Einrichtungen zur Über­ führung des gesamten vorentwässerten Feststoffkuchens (50 a) in mindestens einen weiteren Behandlungsraum zum Trocken­ schleudern und Austragen des Kuchens vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kuchenbildungsraum (32) axial durch einen Schubboden (8) und einen Trommelbord (10) mit konstantem Abstand zueinander und radial durch ein axial verschiebbares Filter (6) gebildet wird, wodurch der Ku­ chenbildungsraum (32) zeitweise mit einem Behandlungsraum (3) zur Überführung des Feststoffkuchens (50 a) verbindbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Behandlungsraum (3) durch eine an einer Hohlwelle (1) befestigte Außentrommel (2) gebildet ist und daß das Filter (6) innerhalb einer Innentrommel (5) befestigt ist, welche ihrerseits den Kuchenbildungsraum (32) umfaßt und die an einer in der Hohlwelle (1) konzen­ trisch angeordneten und axial verschiebbar gelagerten Schubstange (4) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kuchenbildungsraum (32) und der Behandlungsraum (3) im Bereich (70 a) zwischen Trom­ melbord (10) und Schubboden (8) etwa zylinderförmig sind und der Behandlungsraum (3) zumindest über einen weiteren Bereich (70 b) seiner Axialerstreckung konisch ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innentrommel (5) mit einer Schub­ scheibe (34) versehen ist, die den zylinderförmigen Bereich (70 a) des Behandlungsraumes (3) durchstreicht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am offenen Endabschnitt des Bereichs (70 b) des Behandlungsraumes (3) ein tangentia­ les Feststoffaustragsgehäuse (13) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Trommelbord (10) ein z. B. scheibenförmiges Stützgewebe (17) mit einem Sieb (18) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Trommelbord (10) ein Si­ phonsystem (36) mit einer Siphontasse (20) und einem Si­ phonschälrohr (21) angeordnet ist.