DE4214771A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Naßklassieren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Naßklassieren mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentan­ sprüche 1 bzw. 3.

Unter "Naßklassieren" ist die Trennung von in einer Flüssigkeit dispergierten oder suspendierten Teilchen nach ihrer Masse zu verstehen. Eine solche Klassierung wird insbesondere in soge­ nannten nassen Mahlkreisläufen gebraucht, also Kreisläufen, in denen die Teilchen einem Mahlvorgang unterworfen werden, bei dem sie auf feinste Teilchengrößen zerkleinert werden.

Als Naßklassierer sind insbesondere bekannt sogenannte Hydro­ zyklone. Für Trennungen im Feinstkornbereich sind auch soge­ nannte Dekantierzentrifugen bekannt.

Zum Naßklassieren im sogenannten Fein- und Mittelkornbereich, also bei Teilchengrößen mit Durchmessern im Bereich zwischen etwa 5 und 100 µm, wird in jüngster Zeit zunehmend das Hydro­ zyklon eingesetzt. In der Systematik naßmechanischer Trenn­ verfahren gehört das Hydrozyklon zu den Apparaten zur Sedi­ mentation im Zentrifugalkraftfeld. Ein solcher Trennapparat besitzt einen einfachen Aufbau, insbesondere wegen des Fehlens rotierender Teile, und bietet eine hohe Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit. Die Leistungsfähigkeit einer solchen Vor­ richtung wird vor allem gemessen am Durchsatz, bezogen auf die Trennleistung.

Hydrozyklone bedingen allerdings auch Probleme. Insbesondere bei relativ kleinen Zyklonen, die bei Trennverfahren im Feinst­ kornbereich, also bei Teilchendurchmessern kleiner als 5 µm, eingesetzt werden, ergeben sich Schwierigkeiten. Trennungen im Feinstkornbereich sind z. B. bei der Herstellung feinster Streichkaoline und bei der Entschlämmung feinverwachsener Erze erforderlich. Die bei einer gewünschten Trennkorngröße kleiner als 10 µm eingesetzten Hydrozyklone von 10 bis 40 mm Nenndurch­ messer haben im allgemeinen einen Durchsatz, der höchstens 1 bis 2 m³/h beträgt. Aufgrund dieses geringen Durchsatzes ist es deshalb häufig erforderlich, eine Vielzahl von Zyklonen paral­ lel zu schalten.

Auch treten bei solchen Hydrozyklonen Probleme hinsichtlich Verstopfungen der Düsen auf, deren Durchmesser typischerweise nur wenige Millimeter beträgt.

Die andererseits bekannten Dekanter dienen eigentlich der Ab­ trennung fester Bestandteile aus einer Flüssigkeit mittels Sedimentation im Zentrifugalkraftfeld. Die Dekantierzentrifuge ist somit eigentlich eine Maschine zur Fest/Flüssig-Trennung, d. h. zur möglichst vollständigen Abtrennung eines Feststoffes aus einer Flüssigkeit. Die Klassierung, um die es bei der vor­ liegenden Erfindung geht, stellt eigentlich nur eine Sonder­ anwendung des Dekanters dar, bei der ein genau definierter An­ teil des Feststoffes in der Flüssigkeit verbleiben soll.

Derart eingesetzte Dekantierzentrifugen können also suspendier­ te Feststoffe nach der Korngröße in feinere und gröbere Frak­ tionen (bei gleichzeitiger Eindickung der Grobfraktion und Ver­ dünnung der Feinfraktion) trennen. Im Vergleich mit Hydrozyklo­ nen kann mit einer Dekantierzentrifuge eine noch niedrigere Trennkorngröße erreicht werden.

Allerdings weisen Dekantierzentrifugen nur einen relativ gerin­ gen Abscheidegrad bei Trenngrenzen unterhalb von etwa 1,5 µm auf. Außerdem sind Dekantierzentrifugen relativ teuer.

Die US-Patentschrift 4 260 478 beschreibt eine Vorrichtung zum Klassieren von Teilchen in einer Gasströmung. Es handelt sich also nicht um ein Naßklassieren. Diese bekannte Vorrichtung lehrt bereits die Verwendung eines Strömungsfeldes, in dem zentral ein Flügelrad angeordnet ist, durch welches eine Gas­ strömung geführt ist, die die feineren Teilchen mitnimmt, während gröbere Teilchen aufgrund ihrer erhöhten Zentrifugal­ kraft nach außen wandern.

Das DE-GM 91 05 032 beschreibt einen Fliehkraftabscheider, mit dem staubhaltige Gase in Rotation versetzt werden, so daß die Strömung eine Wirbelsenke bildet, wobei axial ein Absaugrohr angeordnet ist, durch das jener Teil des Wirbelkerns abgesaugt wird, in dem die von der Strömung mitgeführten Feststoffteil­ chen konzentriert sind. Es handelt sich hier nicht um eine Klassiereinrichtung, insbesondere nicht um einen Naßklassierer.

Die DE-OS 26 21 051 beschreibt eine Zyklonvorrichtung für die Abscheidung flüssiger Bestandteile, insbesondere von Ölen, aus einer Gasströmung, bei dem ebenfalls ein sogenanntes Tauchrohr in die Strömungskammer hineinragt, um eine "gereinigte" Gas­ strömung aus der Kammer zu führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Naßklassieren im Feinstkornbereich bereit­ zustellen, mit dem bzw. der bei kostengünstiger Herstellbarkeit der Vorrichtung und funktionssicherem Betrieb ein hoher Durch­ satz bei guter Trennleistung erzielbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 3 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.

Charakteristisch für die Erfindung ist somit, daß statt eines beim Stand der Technik verwendeten Tauchrohrs ein Flügelrad (auch als "Sichtrad" oder als "Abweiseradsichter" zu bezeich­ nen) verwendet wird, und zwar zusammen mit einer besonderen Gestaltung des Strömungsfeldes in der Trennkammer.

Das Flügelrad wird in gleicher Richtung wie das rotierende Strömungsfeld gedreht.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Naßklassieren im Feinstkornbereich;

Fig. 2-5 Varianten des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1; und

Fig. 6 + 7 Einzelheiten eines Flügelrades.

In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit glei­ chen Bezugszeichen versehen.

Die sogenannte Klassiertrübe, also die Flüssigkeit, in der die zu trennenden Teilchen enthalten (z. B. suspendiert) sind, wird in eine Kammer 10 eingeführt. Die Klassiertrübe ist in den Fi­ guren mit "Aufgabegut" bezeichnet. Die Kammer 10 weist eine Längsachse Z auf. Konzentrisch sowie zentral in bezug auf die Kammer 10 und ihre Achse Z ist ein Flügelrad 12 angeordnet, das sich in gleicher Richtung wie die Klassiertrübe dreht. Die Klassiertrübe wird über einen Einlaß 14 tangential in die Kammer 10 eingeführt, so daß ein rotierendes Strömungsfeld in der Kammer 10 entsteht. Der Einlaß 14 ist tangential außen an der Kammer 10 angeordnet, so daß das rotierende Strömungsfeld gebildet wird.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 weist die Kammer 10 ein zylindrisches Oberteil auf, an das sich ein sich konisch ver­ jüngendes Unterteil 10′ anschließt.

Im Oberteil der Kammer 10 ist zentrisch das Flügelrad 12 ange­ ordnet. Die Lamellen des Flügelrades 12 verlaufen parallel zur Rotationsachse Z.

Die Vorrichtung wird so betrieben, daß die Klassiertrübe unter Druck durch den tangentialen Einlaß 14 in das Oberteil der Kam­ mer 10 eingeführt wird und dort eine äußere, in Fig. 1 wendel­ förmig abwärts gerichtete Umlaufströmung bildet. Diese äußere, in Fig. 1 abwärtsgerichtete Umlaufströmung findet somit statt in einem äußeren Bereich B_a. In diesem äußeren Bereich B_a hat die Flüssigkeit eine Bewegungskomponente ba_z, die parallel zur Achse Z gerichtet ist und vom Flügelrad 12 wegführt. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Einlaß 14 zumindest annähernd auf Höhe des Flügelrades 12 angeordnet (be­ zogen auf die Achse Z).

Es entsteht also im äußeren Bereich B_a eine Umlaufströmung um die Achse Z (auch als Primärwirbel oder Außenwirbel zu bezeich­ nen), die eine starke Komponente parallel zur Achse Z vom Flü­ gelrad 12 weg hat. Dieses äußere Strömungsfeld läuft in Fig. 1 nach unten und gelangt somit in den konischen Abschnitt 10′ der Kammer 10. Infolge der Drosselwirkung des unteren konischen Abschnittes 10′ der Kammer (Reduzierung der Abflußmöglichkeit für die Flüssigkeit) werden vom abwärtsgerichteten Außenwirbel laufend Teile zu einer inneren aufwärtsgerichteten Wirbelströ­ mung (sogenannter Innen- bzw. Sekundärwirbel) umgelenkt, und zwar im Bereich B_u. Die innere, aufwärtsgerichtete Wirbelströ­ mung findet statt in einem Bereich B_i, der radial in bezug auf den Bereich B_a nach innen versetzt ist. Die Teilchen im inneren Bereich B_i haben somit eine starke Strömungskomponente bⁱ _z, die parallel zur Achse Z gerichtet ist, allerdings in entgegenge­ setzter Richtung als die Hauptströmungskomponente ba_z im äußeren Bereich B_a.

Im Gehäusequerschnitt laufen beide Wirbel, also der Wirbel im Bereich B_a und im Bereich B_i gleichsinnig um (in Fig. 1 von oben gesehen, beispielsweise beide im Uhrzeigersinn, so wie auch das Flügelrad 12). Im Längsschnitt hingegen bewegen sich die beiden Wirbel im Gegenstrom, wie die Bewegungskomponenten bⁱ _z und ba_z gemäß Fig. 2 anzeigen.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Klassiertrübe steigt von außen her nach innen bis zum Rand des Wirbelkerns stark an, wodurch im inneren Sekundärwirbel höhere Zentrifugalkräfte auftreten als im äußeren Primärwirbel.

Das Flügelrad 12 wird gleichsinnig mit dem Strömungsfeld ro­ tiert. Hierzu dient ein Elektromotor 24, dessen Kraft über An­ triebsriemen 22 und eine Welle 20 auf das Flügelrad 12 über­ tragen wird.

Eine Strömung führt von außen nach innen durch die Lamellen des Flügelrades 12 zum Auslaß 16 für Feingut. Grobgut hingegen tritt aus der Kammer 10 in Richtung der gezeigten Pfeile in eine Austragskammer 26, und zwar durch eine Öffnung 30, deren Querschnitt mittels eines Stempels und eines die Öffnung durchsetzenden konischen Kopfes 32 veränderbar ist.

Unterhalb des Flügelrades 12 ist ein konischer Strömungskörper 34 angeordnet, der die Flüssigkeitsströmung im Bereich B_i be­ einflußt.

Die Strömung verläuft vom inneren Bereich B_i radial von außen nach innen durch die Lamellen des Flügelrades 12 bis zum Auslaß 16 für das Feingut. Das Feingut ist eine Flüssigkeit, in der diejenigen Teilchen stark angereichert sind, deren Masse klei­ ner ist als die Trennmasse (z. B. kann die Trennkorngröße bei 1,5 µm liegen).

Der sogenannte Sekundärwirbel, also das Strömungsfeld im inne­ ren Bereich B_i bestimmt die Trennkorngröße durch das Verhältnis zwischen den nach innen gerichteten Strömungskräften, also der Mitnahmekraft der von außen nach innen durch die Lamellen des Flügelrades führenden Strömung, und den Zentrifugalkräften. Bei feineren Partikeln überwiegen die Schleppkräfte der Strömung, so daß diese in den Wirbelkern und somit zum Auslaß 16 gelan­ gen, während bei den suspendierten gröberen Partikeln die Zen­ trifugalkräfte überwiegen und diese Teilchen somit nach außen in Richtung auf die Innenwand der Kammer 10 getragen werden. Diese gröberen Teilchen bewegen sich schraubenförmig im äußeren Bereich B_a abwärts nach unten und bilden den sogenannten Schlammstrom. Dieser das Grobgut enthaltende Strom tritt über die im Querschnitt einstellbare Öffnung 30 entsprechend den gezeigten Pfeilen in die Austragskammer 26 und gelangt von dort in den Auslaß 18 für Grobgut, also Flüssigkeit, in der die Teilchen mit Durchmessern größer als die Trennkorngröße ange­ reichert sind.

Der "Schlammstrom" verschließt die Öffnung 30 teilweise gegen den Durchtritt der Hauptmenge der nunmehr verdünnten bzw. geklärten Suspension, so daß für die verdünnte Suspension (also diejenigen Flüssigkeitsteile, in denen die feineren Teilchen angereichert sind) der Strömungsweg hauptsächlich über den In­ nenwirbel im Bereich B_i verläuft und so durch das Flügelrad 12 in den Auslaß 16 für das Feingut.

Die vorstehend beschriebene Strömungsführung in bezug auf das Flügelrad 12 bewirkt eine Mehrfachklassierung der Teilchen, so daß bei hohem Durchsatz ein hoher Trenngrad erzielt wird.

Auch das Flügelrad 12 fördert die Klassierwirkung. Während die feineren Teilchen, also diejenigen Teilchen, die kleiner sind als die Trennkorngröße, mit der Strömung nach innen gelangen (dieser Strömungsweg ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen "S" versehen), werden die gröberen Teilchen auch vom Flügelrad nach außen geschleudert.

Die Einstellung der Trennkorngröße erfolgt in Abhängigkeit von den gegebenen Abmessungen der Vorrichtung vor allem durch die Geschwindigkeit, mit der die Klassiertrübe durch den Einlaß 14 in die Kammer 10 eingeschossen wird, die Einstellung des Kopfes 32 in der Öffnung 30 mittels des Stempels 28, um den Strömungs­ querschnitt zu variieren, und die Drehgeschwindigkeit des Flü­ gelrades 12.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 dahingehend, daß der Auslaß 16 für Feingut in der Welle 20 zum Antrieb des Flügelrades 12 angeordnet ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 1 und 2 dahingehend, daß das Flügelrad 12′ sich in Richtung auf die Öffnung 30 der Kammer konisch verjüngt.

Um das Strömungsfeld hinsichtlich der Klassierwirkung zu verbessern, ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein Schaufelkranz 38 im oberen Abschnitt der Kammer 10 angeordnet, also etwa in Höhe des Einlasses 14 für das Aufgabegut und des Flügelrades 12′.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die Flügel (Lamellen) des Flügelrades 12′ nicht parallel zur Achse Z (wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den anderen Figuren) angeordnet, sondern schräg zur Rotationsachse.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiele dahingehend, daß der Auslaß 16 für Feingut in bezug auf die Figur "nach unten" geführt ist, d. h. durch die Austragskammer 26 für Grobgut hindurch.

Die Aussagen "oben" und "unten" sind hier immer in bezug auf die Figuren zu verstehen, nicht jedoch in bezug auf die Schwer­ kraft. Die ganze Anlage kann nämlich sowohl horizontal, ver­ tikal als auch schräg betrieben werden, da die Kräfte im we­ sentlichen durch die Bewegung der Flüssigkeit bestimmt sind.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der vorstehend beschriebenen Aus­ führungsbeispiele dahingehend, daß die Kammer 10 insgesamt im wesentlichen zylinderförmig gestaltet ist, also kein konisches Unterteil aufweist. Statt des konischen Unterteils ist ein Zylinder 40 im Boden der Kammer 10 angeordnet, wobei der Zylin­ derdurchmesser wesentlich geringer ist als der Durchmesser der Kammer 10. Hierdurch wird die oben genannte Drosselwirkung für die Strömung erzielt.

Die Fig. 6 und 7 zeigen das oben erwähnte Flügelrad im Detail. Das Flügelrad kann auch aufgrund seiner Funktion als "Sichter­ rad" bezeichnet werden. Das erfindungsgemäße Sichterrad ent­ sprechend Fig. 6 hat eine Nabe 112, die mit einem Antrieb ver­ bunden ist und durch deren zentrale Bohrung 116 das Feingut ausgetragen wird. Der Rücken der Nabe 112 weist mehrere Durch­ gangsbohrungen 118 auf, in denen nicht dargestellte Schrauben angeordnet sind, die eine Kreisscheibe 114 halten. Auf gleichem Radius der Durchgangsbohrungen 118 in der Nabe 112 hat auch die Kreisscheibe 114 Durchgangsbohrungen mit zylindrischer Senkung, in der Schrauben sitzen, die die Distanzbolzen 120 halten. Die Distanzbolzen 120 haben an ihren beiden Enden Gewindebohrungen für Schrauben 122, die sowohl die Kreisscheibe wie auch die unten das Sichterrad begrenzende Deckscheibe 124 halten. Die Länge der Distanzbolzen 120 bestimmt den Abstand der Kreis- 114 und der Deckscheibe 124 voneinander. Radial außerhalb der Distanzbolzen 120 ist ein käfigförmiger Kranz, bestehend aus Lamellen 126 in ringförmigen Nuten 128 der Kreis- und Deck­ scheibe eingesetzt. Dabei stützen sich die Lamellenenden am elastischen Einsatz 130 ab, der in der Nutsohle sitzt. Die Lamellen sind untereinander mit Bandagen 132 fest verbunden, wodurch die Abstände zwischen den Lamellen fest fixiert sind. Hieraus ergibt sich eine kostensparende Fertigung der Kreis- und Deckscheibe.

In Fig. 7 sind drei Distanzbolzen 120 radial innerhalb der La­ mellen 126 angeordnet, die die Kreisscheibe und die Deckscheibe miteinander verbinden. Die im Querschnitt trapezförmigen Lamel­ len 120 sind so angeordnet, daß sich der Spalt 132 mit der Spaltweite s in Strömungsrichtung erweitert.

Claims (5)

1. Verfahren zum Naßklassieren, bei dem eine Flüssigkeit mit darin enthaltenen Teilchen in Rotation versetzt wird, um Teil­ chen unterschiedlicher Masse dadurch zu trennen, daß Teilchen größerer Masse im rotierenden Strömungsfeld nach außen und Teilchen geringerer Masse mit einer Strömung nach innen wan­ dern, dadurch gekennzeichnet, daß zentral im rotie­ renden Strömungsfeld ein rotierendes Flügelrad (12) angeordnet ist und daß das rotierende Strömungsfeld in bezug auf eine mit dem Flügelrad (12) gemeinsame Achse (Z) einen äußeren Bereich (B_a) aufweist, in dem sich die Flüssigkeit zumindest mit einer Bewegungskomponente (ba_z) in einer Richtung parallel zur Achse (Z) vom Flügelrad (12) weg bewegt, und einen inneren Bereich (B_i), in dem sich die Flüssigkeit zumindest mit einer Bewe­ gungskomponente (bⁱ _z) in entgegengesetzter Richtung parallel zur Achse (Z) zum Flügelrad (12) hin bewegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsfeld einen Bereich (B_u) aufweist, in dem die Bewegung der Flüssig­ keit aus der einen Richtung umgelenkt wird in eine Bewegung in der anderen Richtung und daß in diesem Bereich (B_u) der Be­ wegung der Flüssigkeit in der einen Richtung ein erhöhter Strö­ mungswiderstand entgegengesetzt wird.

3. Vorrichtung zum Naßklassieren mit einer Kammer (10, 10′), in die eine Flüssigkeit so tangential eingeführt wird, daß in der Kammer ein rotierendes Strömungsfeld entsteht, in dem Teil­ chen größerer Masse nach außen und von dort zu einem Grobgut­ abfluß (18) und Teilchen geringerer Masse nach innen und von dort zu einem Feingutabfluß (16) wandern, dadurch gekennzeichnet, daß zentral in der Kammer (10, 10′) ein rotierendes Flügelrad (12) angeordnet ist und daß das rotierende Strömungsfeld in bezug auf eine mit dem Flügelrad (12) gemeinsame Achse (Z) einen äußeren Bereich (B_a) aufweist, in dem sich die Flüssigkeit zumindest mit einer Bewegungskomponente (ba_z) in einer Richtung parallel zur Achse (Z) vom Flügelrad (12) weg bewegt, und einen inneren Bereich (B_i), in dem sich die Flüssigkeit zumindest mit einer Bewe­ gungskomponente (Bⁱ _z) in entgegengesetzter Richtung parallel zur Achse (Z) zum Flügelrad (12) hin bewegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (10, 10′) einen Bereich (B_u) aufweist, in dem die Bewegung der Flüssigkeit aus der einen Richtung umgelenkt wird in eine Bewegung in der anderen Richtung und daß in diesem Bereich (B_u) der Bewegung der Flüssigkeit in der einen Richtung ein erhöhter Strömungswiderstand entgegengesetzt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Strö­ mungswiderstand mittels einer Verengung der Kammer im Strö­ mungsweg zwischen dem Einlaß (14) für Aufgabegut und dem Auslaß (18) für Grobgut bewirkt ist.