DE3719441C2

DE3719441C2 -

Info

Publication number: DE3719441C2
Application number: DE3719441A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl.-Ing. 2000 Hamburg De Kupczik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1987-06-11
Publication date: 1993-02-18
Also published as: DE3719441A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung von verklammerten organischen und mineralischen Bestandteilen in Suspensionen, wie Schlämmen oder Abwässern unter Auf wirbelung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Hierbei handelt es sich um die Zerlegung von Verunreinigungen unter Einbeziehung von flockigem oder grobkörnigem Ma terial.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 34 44 329 bekannt. In dieser werden Schlämme oder Abwässer einer Aufwirbelung mit Schleuderkräften unterworfen, welche unter Zentrifugalkraft eine Abscheidung herbeiführen. Hierbei werden insbesondere auch organische Bestandteile mit Verunreinigungen abgeschieden. Dabei sind die radial gerichteten Flügel bekannt. Eine bestimmte Fließfähigkeit wird durch Einführung von Zusatzwasser erreicht. Nach der Aufwirbelung zwecks Abscheidung bestimmter Bestandteile durch Zentrifugalkraft erfolgt eine Endbehandlung in einem Hydrozyklon.

Aus der DE-OS 34 28 535 ist eine Technik zur Konditionie rung von Abwässerschlämmen bekannt, bei der das zu behan delnde Stoffgemisch aus einem Hochbehälter abgeleitet, über mindestens einen Rohrkrümmer umgelenkt und dann einem Fallrohr derart zugeführt wird, daß sich vor, in und nach dem Rohrkrümmer wenigstens bereichsweise in der Strömung eine Kavitationszone ausbildet. In dieser Zone sollen Keime oder Bakterien durch Zerstören der Zellwände und Freisetzen des enthaltenen Zellwassers abgetötet werden. Die Flüssigkeit-/Feststoffmischung gelangt durch das Fall rohr in ein Auffangbecken. Dabei können sich in der Kavi tationszone voneinander getrennte Bestandteile grundsätz lich wieder aneinander anlagern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung so zu verbessern, daß der Trennungs- bzw. Abscheidungseffekt maßgeblich vergrößert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran sprüchen angegeben.

Der Kavitationseffekt ergibt sich aus den Abmessungen und der Form eines Flügelrades und seiner Antriebsgeschwindig keit, wobei auch die Länge jeweils radial gerichteter Flügel maßgeblich ist.

Vorteilhaft ist, daß die Schlämme oder Abwässer in ihrem Zerlegungsdurchgang während der Aufwirbelung durch die Kavitation einer Drei-Phasen-Strömung, und zwar einer Dampfblasen-, Flüssigkeits- und Feststoffströmung unterwor fen werden. Darin werden die verklammerten Bestandteile in eine organische und mineralische Phase zerlegt, wobei eine solche Zerlegung mehrfach vor einer Klassierung der Be standteile wiederholt wird.

Bei einer Kavitation stellt sich verfahrensmäßig eine Druckschwankung ein. Sinkt nämlich der statische Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, so entsteht eine Dampfblase. Die Dampfblase kondensiert zu dem Zeitpunkt, in dem der statische Druck wiederum ansteigt. Diese Aggregatzustandsänderungen können im Bereich von Mikrose kunden liegen, während bei der Implosion Drücke von 3000 bar und mehr erreicht werden können. Die Energie während dieser Zeiteinheit beträgt etwa das Fünffache einer Tempe ratursteigerung von 0 auf 100°C.

Erfindungsgemäß führt die Verdampfung bei der Kavitation zu der oben geschilderten Drei-Phasen-Strömung. Bricht die Dampfblasenströmung zusammen, so wird die Feststoff-Phase in eine organische und eine mineralische Phase zerlegt. Folgende charakteristische Zustände werden durchlaufen:

Zeitpunkt a - Eintritt in den Wirbeltrenner
Zwei-Phasen-Strömung
- - Flüssigkeitsströmung
- - Feststoffströmung
Zeitpunkt b - Aufenthalt im Wirbeltrenner
Drei-Phasen-Strömung
- - Flüssigkeitsströmung
- - Feststoffströmung
- - Dampfblasenströmung
Zeitpunkt c - Austritt aus dem Wirbeltrenner
Drei-Phasen-Strömung
- - Flüssigkeitsströmung
- - mineralische Feststoffströmung
- - organische Feststoffströmung

Zustand während Zeitpunkt c wird bis zur Klassierbehand lung beibehalten.

Die Strömung führt diese partikulierten Materialmassen in einen Ort anderen Druckes, bei welchem sich dann eine Kondensation unter schlagartigem Zusammenbruch der Dampf blase des Materialmasseteils ergibt. Unter dem Einfluß dieses implosionsartigen Zusammenbruchs werden die Teilchen der Materialmasse beschleunigt. Das verstärkt den Kavita tionseffekt und die dabei eintretenden hohen Drücke bewir ken ein Herausbrechen anderer Materialteilchen aus der Masse.

Unter diesen Gesichtspunkten ergeben sich zwischen mitein ander verklammerten Teilchen unterschiedliche Masseeigen schaften, sogenannte Sprungweiten, welche unter dem Kavi tationseffekt bzw. Druckunterschied entstehen und bei ge nügender Größe ein Abreißen miteinander verklammerter Teil chen verschiedener Masse herbeiführen. Die dabei entste henden Scherkräfte sind stärker als Verklammerungskräfte, so daß eine wirkungsvolle Teilchentrennung herbeigeführt wird.

Insofern schafft die Erfindung durch die Einführung der Kavitation einen Trennungskraft-Eintrag, der überhaupt eine wesentliche Reinigung von Schlämmen oder Abwässern in einem Ausmaß ermöglicht, das bisher nicht bekannt war.

Vorteilhaft wird eine bestimmte Fließfähigkeit oder Viskosi tät der Abwässer oder Schlämme eingehalten. Sofern eine solche nicht vorliegt, wird zweckmäßig Wasser in einer Menge zur Herstellung eines Zustandes eingetragen, in wel chem die Verunreinigungen einen Mengenanteil von etwa 15% ausmachen. Dabei wird einbezogen, daß in den Schlämmen oder Abwässern das flockige oder grobkörnige Material ge genüber Wasser ein spezifisches Gewicht in der Größenord nung von 1,1 t/m³ bis 1,4 t/m³ hat. Unter solchen Bedin gungen werden Kavitationen mit einem als bekannt vorausge setzten Flügelrad mit sich gerade und senkrecht zur Dreh ebene erstreckenden Flügeln in der Nähe des äußeren Um fanges erzielt, wenn die Flügel eine radiale Erstreckung in der Größenordnung von ca. 100 mm und eine Drehzahl von 3000 Min.^-1 haben.

Hierbei ist davon ausgegangen, daß senkrecht zur Drehebene gerichtete Flügel angeordnet sind. Besondere Effekte lassen sich mit einer abweichenden Ausgestaltung erzielen.

Durch Betriebsparameter - wie durch Veränderung des Gehäu ses des Wirbeltrenners, Gestaltung der Flügel bzw. Roto ren, Drehzahl und Feststoffkonzentration des Mediums - kann die Kavitation begünstigt werden. Diese führt eine Volumenänderung einer erfaßten Stoffgruppe herbei und be wirkt durch diese Volumenänderung eine Dampfblasenbildung und eine Ortsveränderung der Materialabschnitte und bei genügend weiter Auswanderung in eine der Kavitation benach barte Umgebung einen schlagartigen Zusammenbruch, wobei dann die Bestandteile getrennt bewegbar sind.

Zur Erreichung der Kavitation sind die Erstreckung, die Gestaltung der Flügel, die Drehzahl, aber auch die Zusam mensetzung der Schlämme oder Abwässer maßgeblich. Je ver unreinigter die Schlämme oder Abwässer gegenüber dem Zu stand reinen Wassers sind, desto geringer kann die Dreh zahl sein, um eine Kavitation zu ermöglichen.

Um aber den Trennprozeß zwischen verklammerten organischen und mineralischen Bestandteilen während der Drei-Phasen- Strömung einzuleiten, ist eine Mindest-Fließfähigkeit oder Viskosität der Schlämme oder Abwässer zweckmäßig, die durch Wassereintrag gemäß obigen Angaben hergestellt wird. Diese Viskosität liegt im Vergleich zu der von reinem Wasser vor teilhaft in einem Bereich in der Größenordnung zwischen
1,0×10^-3 und 5,0×10^-2 bei Raumtemperatur.

Durch diese Viskosität wird die Voraussetzung für den oben erwähnten Trennprozeß zum implosionsartigen Auseinander brechen der verklammerten Materialteilchen geschaffen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Flügel bo genförmig gekrümmt und ihr äußerer, im wesentlichen paral lel zur Drehachse gerichteter Rand ist als Schlagkante in Drehrichtung vor dem inneren Ansatzpunkt des Flügels an der Nabe vorgesehen. Dadurch entsteht hinter den Flügeln die Kavitation um so besser, je stärker die Schlagkante in Undrehungsrichtung einen Abriß des Materials von der durch strömenden Masse herbeiführt.

Eine bogenförmige Gestaltung ist dabei ein vorteilhaftes Merkmal. In einfacher Ausführungsform genügt eine Abkrümmung der äußeren Flügelränder in umlaufender Richtung. Die bogenförmige Krümmung bezieht ein, daß sich an das äußere, in Umlaufrichtung abgekrümmte Ende des Flügelrandes eine Wölbung des Flügels insofern in umgekehr ter Richtung anschließt, als der Flügel einen nach hinten, d. h. entgegen der Umlaufrichtung konkav gekrümmten Ab schnitt aufweist.

Einbezogen wird vorteilhaft eine Verwindung der radialen Flügel in ihrer Erstreckung von innen nach außen.

Durch diese Verwindung kann nicht nur der Kavitationseffekt wenigsten aufrechterhalten oder verbessert werden, sondern es wird auch der Eintrag der Förderenergie durch die in einem Kanal angeordnete Trennvorrichtung mit den Flügeln verbessert.

Dabei verläuft in einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der äußere Rand der Flügel ausgehend von der Grundplatte zu seinem oberen Ende hin entgegen der Drehrichtung bezüglich der Nabenachse schräg. Die Fördereigenschaft des Flügel rades wird dadurch verbessert.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Flügel propellerartig ausgeführt und von einer im wesent lichen in der Ebene der Drehrichtung der Nabe gerichteten Ansatzfläche an dieser zu einem steileren, insbesondere senkrecht zur Drehrichtung gerichteten Verlauf an den Flügelenden verwunden.

Dadurch wird praktisch die im Bereich der Nabe auflasten de Masse abgeteilt und unter Beschleunigung nach außen geführt und dort an der Rückseite der Flügel der Kavi tation unterworfen, wobei zugleich an den Flügeln ein Fördereffekt erreicht wird.

Wenn auch verschiedene Bemessungen der Flügel einbezogen werden, wird bevorzugt, daß die Flügel in einer Trans port- oder Förderleitung höchstens ein Drittel der Höhe dieser Leitung durchsetzen, wobei die Grundplatte mit einem schräg nach außen oben geführten Rand innerhalb des Bodens der Leitung angeordnet ist.

Dadurch ergibt sich ein genügender Durchgangsquerschnitt für die Förderung in Verbindung mit einer günstigen, innerhalb dieser Förderung durchgeführten Trennung oder Abscheidung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Transportkanal mit einer Schleuderpumpe und einem Antriebs motor in Seitenansicht und im Schnitt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Schleuderpumpe nach Fig. 1 mit einer besonderen Ausgestaltung der Flügel;

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausge staltung;

Fig. 4 eine gegenüber Fig. 2 besonders bevorzugte Ausgestaltung;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine verwundene Aus führungsform eines Flügels;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer propellerartig verwundenen Ausgestaltung eines Flügels.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs zeichen bezeichnet.

Nach Fig. 1 befindet sich eine Schleuderpumpe 1 in einem Kanal 2, der beispielsweise im Bereich dieser Schleuder pumpe um 90° umgelenkt wird und an dem ein Ansatzstutzen 3 für eine seitliche Einführung in einen Raum 4 sorgt. Aus diesem führt rechtwinklig zum Ansatzstutzen 3 ein weite rer Ansatzstutzem 5 zum Anschluß an eine entsprechend abgewinkelte Leitung. Die Ansatzstutzen 3 und 5 sind mit Verbindungsflanschen 6 und 7 versehen.

Der Raum 4 bildet insofern ein Zwischenstück eines För derkanals; durch dessen Boden 8 ist eine Drehachse 9 ge führt, die von einem Antriebsmotor 10 ausgeht, welcher außen am Boden angeflanscht ist und dessen Drehachse 9 in einem Raum 4 mit einem Rotor 11 versehen ist.

Auf dem Boden 8 ist beispielsweise eine Verschleißscheibe 12 angeordnet, die einen sich zum Raum 4 hin konisch er weiternden Rand 13 hat, in welchem sich ein entsprechend nach oben konisch erweiternder Rand 14 des Rotors 11 be findet. Besondere Abdichtungen werden an diesen Stellen ein bezogen, beispielsweise kann längs einer Führung 18 auch ein Eintrag von Schmierfett vorgesehen sein. Der Rotor 11 hat eine Nabe 19 an einer Grundplatte mit dem äußeren Rand 14.

An der mittleren Nabe 19 des Rotors 11 sind sich radial nach außen erstreckende Flügel 20 angeordnet. Der Umlauf dieser Flügel 20 durch ihren Antriebsmotor 10 beschleunigt zunächst die im Raum 4 befindliche Masse zwecks Abtrans portes aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung, wobei ver schiedene Schwerbestandteile verschieden beschleunigt und damit auch getrennt werden. Die Flügel 20 sind wenigstens abschnittsweise an der Grundplatte des Rotors 11 festge legt. In Fig. 1 liegt die Festlegung über die gesamte Länge vor.

Die Anordnung des Rotors der Schleuderpumpe 1 in einem Kanalwinkel ist ein besonderes Merkmal. Einbezogen wird auch in einer Anlage die Anordnung am Boden eines grad linig durchgehenden Kanals.

Bezüglich des beschriebenen Aufbau des Rotors 11 mit der Nabe 19 und den Flügeln 20 liegt ein besonderes Merkmal darin, daß solche Flügel 20 wenigstens abschnittsweise im wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse bzw. auch im wesentlichen rechtwinklig zur Drehebene der Flügel 20 gerichtet sind, damit hinter diesen eine Kavitation ent steht, die nach obigen Gesichtspunkten die zusammenge schlossene Masse auseinanderreißt. Abweichungen können durch Verwindungen eingeführt werden.

Die Flügel 20 können radial gestreckt ausgeführt sein. In Fig. 2 ist eine Nabe 19 gezeigt, an der Flügel 21 bis 24 angeordnet sind, die in der Drehantriebsrichtung ent sprechend dem Pfeil 25 mit ihren äußeren Enden nach vorn gekrümmt sind. Daher bilden diese äußeren Enden mit ihrem im wesentlichen senkrechten Rand 26, 27 . . . eine Schlag kante in Drehrichtung vor den inneren Ansatzpunkten 28, 29 der Flügel, so daß dadurch ein Abriß bzw. ein Heraus schlagen einer Materialmenge aus dem im Raum 24 befind lichen Material erfolgt, wobei die Schlagkante quasi mes serartig wirkt.

Hierbei wird einbezogen daß die Ränder 26, 27 nach Fig. 3 praktisch an abgewinkelten Flügeln 30, 31 angeordnet sind. Dieses führt auch zur Einschaufelung von Material im Hohlwinkel der Flügel und zu einem verbesserten Abriß an der Rückseite zwecks Kavitationserzeugung, so daß dort die Trennung erfolgt.

Die abgewickelten Abschnitte 41, 42 sind im Vergleich mit der radialen Erstreckung der Flügel kurz.

Nach Fig. 4 wird die Kavitationserzeugung noch dadurch verbessert, daß die Flügel 32, 33 eine bogenförmige Krüm mung 34, 35 aufweisen, die entgegen der Drehrichtung kon kav ist.

Zu berücksichtigen ist dabei, daß das durch die Ränder 26, 27 abgerissene und eingeschaufelte Material einerseits in nerhalb der Ränder die Tendenz hat, mitgenommen zu wer den und parallel zur Drehachse beschleunigt zu werden, andererseits außerhalb der Ränder aber von den Kavitatio nen hinter den Flügeln 21, 22 mitgenommen wird.

Die sich an der Flügelvorderseite stauende Materialmenge weicht bei zunehmender Verdichtung über die oberen Ränder der Flügel aus. Dieser Effekt kann durch eine Flügel verbindung unterstützt werden.

Die zuerst beschriebenen Flügel haben Flächen, die senk recht zur Drehrichtungsebene verlaufen. Einbezogen wird aber vorteilhaft, was in Fig. 5 gezeigt ist, daß solche radial gerichteten Flügel von innen nach außen verwunden sind. Dieses bedeutet, daß sie z.B. an der Nabe 19 einen nabenparallelen senkrechten Rand 36 haben, der sich aber zum äußeren Ende hin in eine Randrichtung 37 verän dert, in welcher dieser äußere Rand schräg zur Achsrich tung der Nabe geneigt ist. Diese Randrichtung 37 verläuft dabei zweckmäßig an ihrem oberen Ende in Drehrichtung vor, so daß das Material an der Flügelvorderseite nach innen zur Nabe geführt und an dieser nabenparallel gefördert wird.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der äußere Rand 37 entgegengesetzt gerichtet, so daß das an der in Drehrichtung vorderen Seite der Flügel von innen nach außen transportierte Material dann bezüglich Fig. 1 nach oben abgestoßen wird. In beiden Fällen erfolgt hin ter den Flügeln die Kavitation.

Nach Fig. 6 sind die Flügel 38 propellerartig mit einem Hals 39 als Ansatzfläche an der Nabe 19 im wesentlichen parallel zur Drehebene ausgeführt, wobei dann die Ver windung des Blattes der Flügel 38 dafür sorgt, daß eine zunehmende Mitnahme in Umfangsrichtung und je nach Art der Verwindung zu einem im wesentlichen nabenparallelen Endrand führt. In jedem Fall sind dabei besondere För dereffekte erzielbar.

Die Aufrichtung der Flügelblätter am äußeren Umfang ge währleistet dabei an der Rückseite der Flügel die Kavi tation.

Während es gemäß Fig. 5 noch möglich ist, die Flügel über ihre gesamte Länge an der Grundplatte des Rotors festzu legen, ist bei der Ausführung nach Fig. 6 wenigstens ein Teil der Flügel im inneren Bereich oberhalb der Grundplat te angeordnet, während die äußeren Blätter der Flügel 38 zweckmäßig wieder mit der Grundplatte, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, verbunden sind.

Unter diesen Gesichtspunkten wird einbezogen, in den Flügeln in Nabennähe Öffnungen anzuordnen.

Claims

1. Vorrichtung zur Zerlegung von verklammerten, organi schen und mineralischen Bestandteilen in Suspensionen, wie Schlämmen oder Abwässern unter Aufwirbelung mit wenigstens einer Schleuderpumpe (1) in Form eines Wir beltrenners in der Ausführung als Rotor (11) mit einer antreibbaren Grundplatte, die auf einer Nabe (19) radial gerichtete Flügel besitzt und eine Trennung der Be standteile herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Wirbeltrenner mit den Flügeln (20; 21-24; 32, 33; 38) der Schleuderpumpe (1) zugleich als ein Kavitationserzeuger mit einem Antrieb (10) mit einer Geschwindigkeit vorgesehen ist, welche bezüglich der Bewegungsrichtung der Flügel hinter diesen Kavitation bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte der Schleuderpumpe (1), von der sich die Flügel (20; 21-24; 31; 32, 33) rechtwinklig in in einer Richtung nach oben erstrecken, in einer horizon talen Ebene angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Flügel (21-24; 32, 33) bogenförmig gekrümmt sind und ihr äußerer, im wesentlichen parallel zur Drehachse gerichteter Rand (26, 27) in Drehrichtung vor dem inneren Ansatzpunkt des Flügels an der Nabe (19) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Abkrümmung der äußeren Flügelränder (26, 27) in umlau fender Richtung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an das äußere, in Umlaufrichtung abgekrümmte Ende des Flügelrandes (26, 27) eine Wölbung des Flügels (32, 33) in umgekehrter Richtung anschließt, wobei der Flügel einen entgegen der Umlaufrich tung konkav gekrümmten Abschnitt (34, 35) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn zeichnet durch eine Verwindung der radialen Flügel in ihrer Erstreckung von innen nach außen (Fig. 5 und 6).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand der Flügel ausgehend von der Grund platte zu seinem oberen Ende hin entgegen der Drehrich tung bezüglich der Nabenachse schräg verläuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand (37) der Flügel mit seinem oberen Ende in Drehrichtung vorlaufend ausge führt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (38) propellerartig ausgeführt und von einer im wesentlichen in der Ebene der Drehrichtung der Nabe (19) gerichteten Ansatzfläche an dieser zu einem steileren Verlauf an den Flügelenden verwunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (20; 21-24; 30, 31; 32, 33) in einer Transport- oder Förderleitung etwa ein Drittel der Höhe dieser Leitung durchsetzen, wobei die Grundplatte mit einem schräg nach außen oben geführten Rand (14) innerhalb des Bodens der Leitung angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flügeln in Nabennähe Öffnungen angeordnet sind.