DE3840447A1 - Verfahren und vorrichtung zum trennen von fest-fluessig-zusammensetzungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum trennen von fest-fluessig-zusammensetzungen

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Yoshihisa Katoh
Takashi Ogawa
Yukihiko Nagao
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    • B01D29/31—Self-supporting filtering elements
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D36/04—Combinations of filters with settling tanks
    • B01D36/045—Combination of filters with centrifugal separation devices

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Fest- Flüssig-Zusammensetzungen und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Es ist ein Umwälzsystem bekannt, das einen querdurchströmbaren, rohrförmigen keramischen Filter aufweist. In diesem System ist eine Flüssigkeit, die Feststoffe enthält, in einem Behälter aufgenommen und die Flüssigkeit wird in den rohrförmigen keramischen Filter gebracht und geht durch diesen hindurch. Die Flüssigkeit wird anschließend in den Behälter zurückgelei­ tet. Während der Filtration wird der Druck der Flüssigkeit auf einem konstanten Wert gehalten.
Selbst dann, wenn die Flüssigkeit sehr große Feststoffpartikel enthält, wird die Restflüssigkeit pausenlos aufeinanderfolgend im Kreislauf umgepumpt. Es steht zwar außer Zweifel, daß solche große Partikel nicht durch den querdurchströmbaren keramischen Filter hindurchtreten können. Es ist jedoch schwierig, solche große Partikel vor oder während des Filterns von der Flüssigkeit zu entfernen.
Die Flüssigkeit wird pausenlos aufeinanderfolgend mehrfach im Kreislauf umgewälzt und gefiltert, wobei sie andauernd die großen Partikel enthält. Demzufolge wird die Flüssigkeit allmählich konzentrierter. Wird die Flüssigkeit konzentrierter, so nimmt die Belastung, die auf die Filtervorrichtung ausgeübt wird, zu, wohingegen der Filtrationswirkungsgrad abnimmt. Zusätzlich werden Filter oftmals verstopft.
Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Trennen von Fest-Flüssig-Zusammensetzungen zu schaffen, bei dem grobe Partikel, die in einer Ausgangsflüssig­ keit enthalten sind, aus der Flüssigkeit entommen werden können, so daß der keramische Filter nicht verstopft und die Flüssigkeit nicht sehr konzentriert wird, wobei ein hoher Filtrationswir­ kungsgrad erreichbar sein soll.
Ferner ist Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des verbesserten Verfahrens zu schaffen.
Erfindungsgemäß enthält ein Verfahren zum Trennen von festen und flüssigen Phasen die Schritte: Vorsehen einer zu filternden Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter, Umwälzen der Flüssig­ keit durch den Flüssigkeitsbehälter, durch einen keramischen Filter und durch einen Flüssigkeitszyklon, und zwar derart, daß die im Flüssigkeitsbehälter enthaltene Flüssigkeit mehrmals in den Flüssigkeitsbehälter rückgeführt wird, wobei feine Partikel, die in der Flüssigkeit enthalten sind, durch den keramischen Filter ausgefiltert werden und Aggregate oder grobe Partikel, die in der Flüssigkeit enthalten sind, durch den Flüssigkeitszyklon abgetrennt werden.
Eine Vorrichtung zum Trennen einer Fest-Flüssigkeit-Zusammen­ setzung enthält Mittel zum Bereitstellen einer Quelle an einer Fest-Flüssigkeit-Zusammensetzung, wobei die Zusammensetzung feine und grobe Partikel oder Aggregate enthält, die von der Flüssigkeit getrennt werden sollen, sie enthält ferner Mittel zum Umwälzen der Fest-Flüssigkeit-Zusammensetzung von der Quelle durch einen keramischen Filter, um ein Filtratanteil der Flüssigkeit, der durch den Filter hindurchtritt, von feinen Partikeln, die vom Filter aufgefangen werden und von einem Restanteil der Zusammensetzung zu trennen, und zum Umwälzen durch Mittel zum zentrifugalen Abtrennen von groben Partikeln oder Aggregaten aus dem Restanteil, und sie enthält Mittel zum Rückführen des Restanteiles zur Quelle.
Der Zyklon kann an einer beliebigen zwischenliegenden Position zwischen dem Flüssigkeitsbehälter und dem keramischen Filter eingebaut sein, d.h., der Flüssigkeitszyklon kann zwischen dem keramischen Filter und den Mitteln zum Bereitstellen, oder er kann zwischen den Mitteln zur Bereitstellung und den Mitteln zum Vorsorgen der Umwälzkraft, oder er kann zwischen den Umwälzmitteln und dem keramischen Filter angeordnet sein.
Vorzugsweise besteht der Flüssigkeitszyklon aus einer Vielzahl an Flüssigkeitszyklonen, die verschiedene Trennvermögen unter­ einander aufweisen.
Vorzugsweise ist die Flüssigkeit Wasser, ein Öl, eine chemische oder eine Lebensmittelzusammensetzung.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele, die in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu betrachten sind.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verfahrensablaufes und einer Vorrichtung zum Trennen von Fest-Flüssig­ keit-Zusammensetzung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein Diagramm zur Illustrierung der Bedingungen einer Filtration von Aktivkohle, und
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Verfahrensablaufes und einer Vorrichtung zum Trennen von Fest-Flüssig­ keit-Zusammensetzungen, entsprechend einem erfin­ dungsgemäßen Ausführungsbeispiel, das eine Vielzahl an Flüssigkeitszyklonen aufweist.
Die vorliegende Erfindung, die eine Kombination eines kerami­ schen Filters und eines Flüssigkeitszyklones enthält, ermöglicht ein Filtrationsverfahren zu schaffen, das ausgezeichnete Charakteristika aufweist, und zwar nicht nur bezüglich der Wärme-, Verschleiß-, Abrieb-, Korrosionswiderstandsfähigkeit und Feinstfiltration, sondern auch bezüglich des Filterwirksam­ keitsgrades.
In Fig. 1 und 3 sind Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen, speichert ein Flüssigkeitsbehälter 1 eine zu filternde Flüssigkeit 5. Ein keramischer Filter 2 wird dazu verwendet, um feine Feststoffpartikel, die in der Flüssigkeit 5 enthalten sind, zu filtern. Ein Flüssigkeitszyklon 3 wird dazu verwendet, Aggregate oder grobe Feststoffpartikel abzutrennen.
Ein Umwälzmittel 4 wälzt andauernd die im Flüssigkeitsbehälter 1 aufgenommene Flüssigkeit 5 durch den keramischen Filter 2 und durch den Zyklon 3 in den Behälter 1 um.
Die im Flüssigkeitsbehälter 1 gespeicherte Flüssigkeit 5 enthält Feststoffpartikel, die Aggregate oder grobe Partikel ein­ schließen. Feine Partikel, die in der Flüssigkeit 5 enthalten sind, werden durch den keramischen Filter 2 ausgefiltert. Aggregate oder grobe Partikel werden durch den Flüssigkeits­ zyklon 3 abgetrennt, um diese aus der Flüssigkeit 5 zu entneh­ men.
Der keramische Filter 2 weist die Form einer Rohrleitung oder eines Rohres auf, und ein Gehäuse des Filters, das vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt ist, weist eine Auslaßöffnung 15 auf. Ein Beispiel eines keramischen Filters 2 ist in dem japanischen Patent mit der Veröffentlichungs-Nr. 48 646/84 beschrieben. Der keramische Filter 2 ist aus hochreinem Alu­ miniumoxid hergestellt und weist eine mehrschichtige Struktur auf. Die Struktur ist nicht symmetrisch, so daß sich die Poren­ durchmesser von einer innenliegenden Schicht zu einer außen­ liegenden Schicht allmählich ändern. Der mittlere Porendurch­ messer der äußeren Schicht ist größer als der der inneren Schicht. Ein in Fig. 1 dargestelltes bevorzugtes Ausführungs­ beispiel eines keramischen Filters 2 weist einen Außendurchmeser von 19 mm und einen Innendurchmesser von 15 mm auf. Der mittlere Porendurchmesser der innenliegenden Schicht beträgt 0,1 µm.
Der Flüssigkeitszyklon 3 weist einen zylindrischen und einen konischen Abschnitt auf. Der zylindrische Abschnitt weist in tangentialer Richtung eine Einlaßöffnung 6 auf. Der zylindrische Abschnitt weist an seinem oberen Bereich mittig einen Auslaß 7 auf. Der konische Abschnitt weist an seinem unteren Ende eine Ablaßöffnung 8 auf, um eine Aufschlämmung an groben Partikeln abführen zu können. Unterhalb der Ablaßöffnung 8 ist ein Tank 8′ angeordnet, der mit dieser verbunden ist.
Das Umwälzmittel 4 weist eine Pumpe 13 und ein Ventil 14 auf, und ist durch Umwälzleitungen 9, 10, 11, 12 verbunden.
Die Umwälzleitung 9 ist zwischen dem Flüssigkeitsbehälter 1 und der Pumpe 13 eingebaut. Die Umwälzleitung 10 ist zwischen der Pumpe 13 und dem keramischen Filter 2 eingebaut. Die Umwälzleitung 11 ist zwischen dem keramischen Filter 2 und dem Flüssigkeitszyklon 3 eingebaut. Die Umwälzleitung 12 ist zwischen dem Flüssigkeitszyklon 3 und dem Flüssigkeitsbehälter 1 eingebaut. Das Ventil 14 ist in einem zwischenliegenden Stück der Umwälzleitung 11 angeordnet. Die Menge an Flüssigkeit, die in den Flüssigkeitszyklon strömt, kann durch das Ventil 14 geregelt werden.
In Fig. 3 werden zum Bezeichnen gleicher Bauteile dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Die Umwälzmittel 4 weisen eine Pumpe 13 und ein Ventil 14 auf und sind durch zahlreiche Leitungen 9, 16, 17, 18, 12 verbunden. Zwei Flüssig­ keitszyklone 3, 3′ weisen Einlaßöffnungen 6, 6′, Auslässe 7, 7′ und Ablaßöffnungen 8, 8′ auf und werden dazu verwendet, um Aggregate oder grobe Feststoffpartikel abzutrennen. Die Umwälzleitung 16 ist zwischen der Pumpe 13 und dem Flüssig­ keitszyklon 3 eingebaut. Die Umwälzleitung 17 ist zwischen dem Zyklon 3 und dem Zyklon 3′ eingebaut. Die Umwälzleitung 18 ist zwischen dem Zyklon 3′ und dem keramischen Filter 2 eingebaut. Die Umwälzleitung 19 ist zwischen dem keramischen Filter 2 und dem Flüssigkeitsbehälter 1 eingebaut.
BEISPIEL
Die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert. Für dieses Beispiel wird die zuvor beschriebene Vorrichtung von Fig. 1 verwendet. Die Flüssigkeit 5 ist Wasser, das Aktivkohle enthält. 30 l Wasser und 80 g (300 cm3) Kohle werden vermischt. Die Korngröße der Aktivkohle liegt zwischen 0,02 mm und 10 µm oder geringer.
Der mittlere Porendurchmesser der innenliegenden Schicht des keramischen Filters beträgt 0,1 µm.
Der Durchmesser des Flüssigkeitszyklon 13 beträgt 100 mm und seine Höhe 400 mm. Der Zyklon 3 besteht aus Edelstahl.
Während des Betriebes ist der Flüssigkeitsdruck am Auslaß 7 des Flüssigkeitszyklons 3 geringer als der Flüssigkeitsdruck an der Einlaßöffnung 6. Der Flüssigkeitsdruck an der Einlaß­ öffnung 6 des Flüssigkeitszyklones 3 ist 2 kg/cm2, wohingegen der Flüssigkeitsdruck am Auslaß 7 des Flüssigkeitszyklones 3 0,5 kg/cm2 beträgt. Die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der Einlaßöffnung 6 des Flüssigkeitszyklones 3 beträgt 8 m/sec.
Wird die Pumpe 13 in Betrieb gesetzt, so wird die im Flüssig­ keitsbehälter 1 gespeicherte Flüssigkeit 5 zum keramischen Filter durch die Umwälzleitung 9, die Pumpe 13 und die Um­ wälzleitung 10 gefördert. Ist die Flüssigkeit 5 durch den keramischen Filter 2 hindurchgeströmt, so wurde die Flüssigkeit 5 in einer querdurchströmenden Art und Weise gefiltert. Das Filtrat wird durch die Auslaßöffnung 15 abgeführt.
Die restliche Flüssigkeit 5 wird über die Umwälzleitung 11 mit einer hohen Fließgeschwindigkeit durch die Einlaßöffnung 6 in einer tangentialen Richtung in den zylindrischen Abschnitt des Zyklones 3 gefördert. Die Flüssigkeit 5 erzeugt einen Wirbelstrom im Flüssigkeitszyklon 3, so daß Zentrifugalkräfte erzeugt werden. Diejenigen Feststoffpartikel, die ein großes Ausmaß und eine große spezifische Masse aufweisen, werden entlang der Wand des Flüssigkeitszyklones 3 aufgrund der Zentrifugalkraft nach unten bewegt und setzen sich allmählich in einem unteren konischen Abschnitt des Flüssigkeitszyklones 3 ab, wodurch ein Schlamm gebildet wird. Dieser Schlamm, der grobe Partikel enthält, wird durch die Ablaßöffnung 8 während des Filtrationsvorganges in den Tank 8′ abgeführt. Feine Partikel werden zusammen mit der Flüssigkeit in einem mittigen Abschnitt des Zyklones gehalten und strömen durch den Auslaß 7 am oberen mittigen Bereich des Zyklones aus und werden dabei zurück in den Flüssigkeitsbehälter gefördert.
Wird der zuvor beschriebene Vorgang wiederholt, so werden Feststoffpartikel in der Flüssigkeit von dieser getrennt.
Hat das Volumen der Flüssigkeit auf 10 l abgenommen, werden zusätzlich 30 l Wasser und 80 g Aktivkohle in den Flüssig­ keitsbehälter 1 gegeben, wobei die Flüssigkeit kontinuierlich gefiltert wird.
Aufgrund der Tatsache, daß Partikel, die ein großes Ausmaß und eine große spezifische Masse aufweisen, als Schlamm durch die Ablaßöffnung 8 des Flüssigkeitszyklones 3 abgeführt werden, wobei auch die Flüssigkeit andauernd gefiltert wird, so daß deren Volumen abnimmt, wird die Flüssigkeit niemals höher konzentriert.
Fig. 2 stellt die Bedingungen dar, unter denen Aktivkohle abgefiltert wird. Eine Kennlinie A zeigt den Filtrationsfluß für den Fall, daß der Flüssigkeitszyklon 3 verwendet wird. Eine Kennlinie B zeigt den Filtrationsfluß für den Fall, daß kein Flüssigkeitszyklon verwendet wird. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen, ist der Filtrationsfluß in dem Fall, in dem der Flüssigkeitszyklon verwendet wurde, konstant, da der Schlamm an groben Partikeln während des Filtervorganges abgeführt wurde, so daß ein Verstopfen ausgeschlossen wurde. Andererseits nimmt der Filtrationsfluß in dem Fall, in dem kein Flüssig­ keitszyklon verwendet wurde, sogar, wenn ein mehrfaches Rück­ spülen durchgeführt wurde, in Form einer Sägezahnkurve ab.
In Fig. 2 stellt eine Kennlinie C die Konzentration der Fest­ stoffe in der Flüssigkeit für den Fall dar, daß kein Flüssig­ keitszyklon verwendet wird. Wie aus der Linie C zu entnehmen, nimmt die Konzentration allmählich zu. Eine Kennlinie D stellt die Konzentration der Feststoffe in der Flüssigkeit für den Fall dar, bei dem ein Flüssigkeitszyklon verwendet wird. In diesem Fall bleibt die Konzentration im wesentlichen konstant, da Aggregate oder grobe Partikel kontinuierlich oder diskonti­ nuierlich abgeführt und während des Filtervorgangs der Flüssig­ keit entnommen werden.
Die Größe, der Aufbau, die Materialqualität und die Zahl der Flüssigkeitszyklone und der keramische Filter, können beliebig entsprechend den Flüssigkeitscharakteristika ausgewählt werden.
Der keramische Filter kann beliebige Querschnitte, wie einen sechseckförmigen Querschnitt oder einen rohrförmigen Querschnitt aufweisen. Die zuerst erwähnte Form eines keramischen Filters kann z.B. 19 Öffnungen enthalten, die jeweils einen Durchmesser von 4 mm aufweisen. Es ist nicht notwendig auszuführen, daß erwartet werden kann, daß die vorliegende Erfindung eine größere Filterwirksamkeit aufweist, falls ein Rückspülen angewendet wird.
Wenn auch ein spezielles Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Vorrichtung beschrieben wurde, ist es selbstverständ­ lich, daß Modifikationen und Variationen der Erfindung durch den Fachmann im Lichte der zuvor gegebenen Lehre möglich sind.

Claims (15)

1. Verfahren zum Trennen einer Fest-Flüssigkeit-Zusammen­ setzung, mit den Schritten:
Vorsehen einer zu filternden Flüssigkeit (5) in einem Flüssigkeitsbehälter (1), wobei die Flüssigkeit (5) feine und grobe Partikel oder Aggregate enthält,
Umwälzen der Flüssigkeit (5) durch den Flüssig­ keitsbehälter (1), durch einen keramischen Filter (2) und durch einen Flüssigkeitszyklon (3, 3′) derart, daß ein Restanteil der Flüssigkeit (5), der nicht durch den Filter (2) gefiltert wird, mehrmals in den Flüssig­ keitsbehälter (1) rückgeführt wird,
Ausfiltern der in der Flüssigkeit (5) enthaltenen feinen Partikel durch den keramischen Filter (2), und
Abtrennen der in der Flüssigkeit (5) enthaltenen Aggregate oder groben Partikel durch den Flüssigkeits­ zyklon (3, 3′).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zyklon (3, 3′) zwischen dem keramischen Filter (2) und dem Flüssig­ keitsbehälter (1) angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Zyklon (3, 3′) stromabwärts vom Flüssigkeitsbehälter (1) und stromauf­ wärts des keramischen Filters (2) angeordnet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Zyklon stromabwärts eines Mittels (4) zum Umwälzen der Flüssigkeit (5) angeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Flüssigkeitszyklon (3, 3′) aus einer Vielzahl an Zyklonen (3, 3′) besteht, die untereinander verschiedene Trenn­ vermögen aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Flüssigkeit (5) Wasser oder ein Öl enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Fest-Flüssig- Zusammensetzung eine chemische oder eine Lebensmittel­ zusammensetzung enthält.
8. Verfahren zum Trennen einer Fest-Flüssigkeit-Zusammen­ setzung, mit den Schritten:
  • a) Vorsehen einer Fest-Flüssigkeit-Zusammensetzung an einer Quelle, wobei die Zusammensetzung feine Fest­ stoffe und grobe Feststoffe oder Aggregate enhält, die von der Flüssigkeit getrennt werden sollen,
  • b) Umwälzen der Fest-Flüssig-Zusammensetzung von der Quelle,
    • i) durch eine Filterstation, die einen kerami­ schen Filter (2) enthält, um ein Filtratanteil der Flüssigkeit, die durch den Filter (2) hin­ durchtritt, von feinen Partikeln abzutren­ nen, die vom Filter (2) gesammelt werden und um diese Flüssigkeit von einem Restanteil der Zusammensetzung zu trennen, und
    • ii) durch eine dynamische Trennstation, um durch Zentrifugieren grobe Partikel oder Aggregate von dem Restanteil zu trennen;
  • c) Rückführen des Restanteils zur Quelle, und
  • d) erneutes Umwälzen des Restanteiles von der Quelle zumindest einmal zum Abtrennschritt b).
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem periodisch zusätzliche Fest-Flüssigkeit-Zusammensetzung der Quelle hinzugefügt wird.
10. Vorrichtung zum Trennen einer Fest-Flüssig-Zusammen­ setzung mit
  • a) Mittel zum Bereitstellen einer Quelle an einer Fest-Flüssig-Zusammensetzung, wobei die Zusammensetzung feine und grobe Partikel oder Aggregate enthält, die von der Flüssigkeit getrennt werden sollen,
  • b) mit Mittel (4) zum Umwälzen der Fest-Flüssig­ keit-Zusammensetzung von der Quelle
    • i) durch einen keramischen Filter (2), um ein Filtratanteil der Flüssigkeit, der durch den Filter (2) hindurchtritt, von feinen Partikeln, die vom Filter (2) aufgefangen werden, und von einem Restanteil der Zusammen­ setzung zu trennen, und
    • ii) durch Mittel (3, 3′) zum zentrifugalen Abtrennen von groben Partikeln oder Aggregaten aus dem Restanteil, und
  • c) mit Mittel zum Rückführen des Restanteils zur Quelle.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Mittel zum zentrifugalen Abtrennen von groben Partikeln oder Aggregaten aus dem Restanteil einen Flüssigkeitszyklon (3, 3′) enthalten.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Flüssigkeits­ zyklon (3, 3′) aus einer Vielzahl an Zyklonen (3, 3′) besteht, die verschiedene Trennvermögen untereinander aufweisen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der der Zyklon (3, 3′) zwischen dem keramischen Filter (2) und einem Flüssigkeitsbehälter (1) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der der Zyklon (3, 3′) stromabwärts des Flüssigkeitsbehälters (1) und stromaufwärts des keramischen Filters (2) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Zyklon (3, 3′) stromabwärts des Mittels (4) zum Umwälzen der Flüssigkeit angeordnet ist.
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