DE4326605A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in zwei Kornfraktionen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in zwei KornfraktionenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Trennung eines feinkörnig in einer
Flüssigkeit dispergierten Feststoffs in ein Feingut und ein Grobgut.
Sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung
dieser Trennung im Korngrößenbereich unterhalb von etwa 50 µm,
vorzugsweise unterhalb von etwa 10 µm.
Zur Lösung der Aufgabe, einen feinkörnigen Feststoff mit einer
Kornverteilung von 0 bis maximal 50 µm in ein Feingut und ein Grobgut
bei einer Trenngrenze unterhalb von etwa 10 µm zu trennen, werden
bevorzugt Hydrozyklone eingesetzt, in denen durch die Einwirkung von
Fliehkraft, Wandreibung und Schleppkraft einer Flüssigkeit auf die
Feststoffpartikel diese Trennung erzielt wird. Infolge der
systembedingten verwickelten Strömungsverhältnisse in einem
Hydrozyklon ist jedoch eine scharfe Trennung bei einer bestimmten
Korngröße nicht möglich, so daß der Überschneidungsbereich, d. h. der
Korngrößenbereich, der sowohl im Feingut als auch im Grobgut enthalten
ist, meist unerwünscht groß ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in ein Feingut
und ein Grobgut anzugeben, die in wirtschaftlicher Weise eine scharfe
Trennung insbesondere im Korngrößenbereich unterhalb von etwa 10 µm
ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird der feinkörnige Feststoff
in einer tropfbaren Flüssigkeit dispergiert und die Dispersion in eine
definierte Senkenströmung mit überlagerter, unabhängig von der
Senkenströmung erzeugter Rotationsströmung gezwungen. Das Verhältnis
der dabei unabhängig voneinander einstellbaren Geschwindigkeiten von
Senken- und Rotationsströmung bestimmt die Trennkorngröße bzw.
Trenngrenze zwischen Feingut und Grobgut, d. h. die Partikelgröße, für
die die durch die Rotation erzeugte Fliehkraft und die durch die
Senkenströmung erzeugte Schleppkraft der Flüssigkeit im Gleichgewicht
sind, die also mit gleicher Wahrscheinlichkeit in das Feingut oder das
Grobgut gelangt.
Besonders einfach läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch
realisieren, daß Senken- und Rotationsströmung in einem rotierend
angetriebenen, von außen nach innen durchströmten Abweiserad mit
parallel zu seiner Drehachse verlaufenden und Strömungskanäle
bildenden Schaufeln erzeugt werden, wobei die Feststoffdispersion dem
Abweiserad am Außenumfang aufgegeben wird.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem druckfesten Gehäuse mit
Anschlüssen für das Einbringen der Aufgabegutdispersion und das
Austragen von Feingut- und Grobgutdispersion, mindestens einem im
Gehäuse drehbar gelagerten und angetriebenen Abweiserad und einer
Speisepumpe für das Einbringen der Aufgabegutdispersion. Vorteilhafte
Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 5 bis 12
dargestellt.
Die folgenden Ausführungen beschreiben die Erfindung im einzelnen:
Das Abweiserad ist in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet, in das der zu klassierende, in einer Flüssigkeit dispergierte Feststoff - die Aufgabegutdispersion - mit einer Speisepumpe über einen Zulaufanschluß gefördert wird. Die Dispersion durchströmt das rotierende Abweiserad von außen nach innen, wobei die Trennung des Feststoffs in Feingut und Grobgut stattfindet. Partikel, bei denen die durch die strömende Flüssigkeit ausgeübte Schleppkraft kleiner ist als die durch die Rotation des Abweiserades induzierte Fliehkraft, können nicht in das Innere des Rades gelangen und werden abgewiesen. Partikel, bei denen die Schleppkraft größer ist als die Fliehkraft, gelangen mit der Flüssigkeit in das Innere des Rades. Dieser Teil der Dispersion enthält somit die Feingutfraktion und verläßt das Gehäuse der Trennvorrichtung durch einen Austragsanschluß, der sich an den Innenraum des Abweiserades anschließt. Durch einen zweiten Austragsanschluß verlassen die abgewiesenen Partikel mit dem restlichen Teil der Flüssigkeit als Grobgutdispersion das Gehäuse.
Das Abweiserad ist in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet, in das der zu klassierende, in einer Flüssigkeit dispergierte Feststoff - die Aufgabegutdispersion - mit einer Speisepumpe über einen Zulaufanschluß gefördert wird. Die Dispersion durchströmt das rotierende Abweiserad von außen nach innen, wobei die Trennung des Feststoffs in Feingut und Grobgut stattfindet. Partikel, bei denen die durch die strömende Flüssigkeit ausgeübte Schleppkraft kleiner ist als die durch die Rotation des Abweiserades induzierte Fliehkraft, können nicht in das Innere des Rades gelangen und werden abgewiesen. Partikel, bei denen die Schleppkraft größer ist als die Fliehkraft, gelangen mit der Flüssigkeit in das Innere des Rades. Dieser Teil der Dispersion enthält somit die Feingutfraktion und verläßt das Gehäuse der Trennvorrichtung durch einen Austragsanschluß, der sich an den Innenraum des Abweiserades anschließt. Durch einen zweiten Austragsanschluß verlassen die abgewiesenen Partikel mit dem restlichen Teil der Flüssigkeit als Grobgutdispersion das Gehäuse.
Durch die Rotation des Abweiserades muß die Feingutdispersion beim
Durchströmen des Rades entgegen der Fliehkraft einen relativ hohen
Druck überwinden. Dieser Druck, der je nach Betriebszustand in der
Größenordnung von 3 bis 20 bar liegt, wird durch die Speisepumpe
aufgebracht. Dieser Belastung entsprechend muß das Gehäuse der
Trennvorrichtung und ebenso die Lagerung der Antriebswelle für das
Abweiserad druckfest ausgeführt sein; für letztere ist dabei in den
meisten Fällen die Verwendung einer Gleitringdichtung erforderlich.
Die die Trennkorngröße bestimmenden Betriebsgrößen sind die
Umfangsgeschwindigkeit des Abweiserades und die radiale
Strömungsgeschwindigkeit in dessen durch Schaufeln gebildeten
Strömungskanälen. Die Umfangsgeschwindigkeit kann bei gegebenem
Außendurchmesser des Abweiserades allein über seine Drehzahl
eingestellt werden; die radiale Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich
aus dem freien Strömungsquerschnitt des Abweiserades und dem
Volumenstrom der Feingutdispersion. Dieser zusammen mit dem
Volumenstrom der Grobgutdispersion werden durch die Zulaufmenge der
Aufgabegutdispersion bestimmt, die über die Förderleistung der
Speisepumpe eingestellt wird. Da die Feingutdispersion für gewöhnlich
frei auslaufen soll, erfolgt die Einstellung ihres Volumenstroms
indirekt über die Zulaufmenge und das Teilungsverhältnis der
Volumenströme von Feingut- und Grobgutdispersion. Die Änderung dieses
Teilungsverhältnisses erfolgt dadurch, daß der Volumenstrom der
Grobgutdispersion verändert wird, z. B. durch Ändern des
Austragsquerschnittes oder durch dosiertes Abpumpen der
Grobgutdispersion.
Die Drehachse des Abweiserades liegt im einfachsten Fall in der Achse
eines rotationssymmetrischen, z. B. zylindrischen Gehäuses, in dem die
Flüssigkeit und der darin dispergierte Feststoff ohne besondere
Maßnahmen gleichmäßig mit dem Abweiserad mitrotiert. In schwierigeren
Fällen oder bei Einsatz mehrerer Abweiseräder im gemeinsamen Gehäuse,
wenn sehr feine Trennungen und hohe Durchsatzleistungen gefordert
werden, kann es von Vorteil sein, die Abweiseräder mit besonderen
Einrichtungen zu versehen, z. B. mit rotierenden Ringscheiben, die eine
gleichmäßige Vorbeschleunigung von Flüssigkeit und Feststoff bereits
im Außenbereich der Abweiseräder bewirken.
Der Anschluß für die Aufgabegutdispersion kann oberhalb, unterhalb
oder im Bereich des Abweiserades am Gehäuse angebracht sein, wobei
eine tangentiale Einmündung mit Einströmung in Drehrichtung des
Abweiserades die Vorbeschleunigung von Flüssigkeit und Feststoff
begünstigt. Ein zusätzlicher Vorklassiereffekt läßt sich erreichen,
wenn der Anschluß für die Aufgabegutdispersion mit Einströmung in
axialer Richtung am unteren Ende des Gehäuses und zentral dazu
angeordnet wird. Grobe Partikel werden dadurch in die Nähe der
Gehäusewand getragen, so daß sie das Abweiserad nicht mehr belasten,
sondern direkt ausgetragen werden. Ein längerer Strömungsweg, z. B.
durch ein sich vom Anschlußquerschnitt auf den Gehäusequerschnitt
erweiterndes, konisches Gehäuseteil, kann den Vorklassiereffekt noch
verbessern.
Das Abweiserad kann in bekannter Weise als zylindrisches Schaufelrad
mit freiem Innenraum ausgeführt sein. Die sich in diesem Innenraum
ausbildende Potentialwirbelströmung erzeugt jedoch einen hohen
Druckverlust, so daß der Einsatz eines solchen Abweiserades nur bei
niedrigen Drehzahlen sinnvoll ist, d. h. für relativ grobe Trennungen
bei kleinen Durchsätzen.
Mit einem Abweiserad, bei dem sich radial ausgerichtete Schaufeln vom
Umfang bis in den Bereich der Drehachse des Abweiserades erstrecken,
kann die Ausbildung der Potentialwirbelströmung verhindert werden. Der
Trennvorgang erfolgt nun in einem sogenannten Festkörperwirbel, dessen
höchste Umfangsgeschwindigkeit im Gegensatz zur
Potentialwirbelströmung an der Außenkante der Schaufeln liegt. Der
Druckverlust ist erheblich geringer, dabei unabhängig vom Volumenstrom
und ausschließlich von der Drehzahl des Abweiserades abhängig. In
überraschender Weise wurde gefunden, daß mit einem Abweiserad mit
Festkörperwirbel feinere Trennungen mit höherem Feingutauszug bei
gleichzeitig größeren Durchsatzleistungen als bei einem Abweiserad mit
Potentialwirbel erreicht werden können.
Für eine optimale Trennwirkung eines Abweiserades ist eine möglichst
vollständige Vorbeschleunigung von Flüssigkeit und Feststoff vor dem
Eintritt in die Schaufelkanäle des Abweiserades erforderlich; dies
gilt insbesondere bei Anwendung eines Abweiserades mit
Festkörperwirbel. In der Regel wird durch eine geeignete Anordnung
des Anschlusses für die Aufgabegutdispersion eine meist ausreichende
Vorbeschleunigung erreicht. Wo dies nicht der Fall ist, helfen z. B.
fest mit dem Abweiserad verbundene, sich vom Umfangsbereich des
Abweiserades radial nach außen erstreckende Ringscheiben, die mit
axialem Abstand zueinander und koaxial zur Drehachse des Abweiserades
angeordnet sind. Diese Ringscheiben bewirken durch ihren
Mitnahmeeffekt eine gleichmäßige und vollständige Vorbeschleunigung
bis zum Eintritt in die Schaufelkanäle.
Neben der Vorbeschleunigung ist auch eine gleichmäßige Durchströmung
des Abweiserades für eine optimale Trennwirkung bestimmend. Vor allem
bei einem Abweiserad mit Festkörperwirbel läßt sich die Durchströmung
durch rotationssymmetrisch ausgebildete und koaxial zum Abweiserad
angeordnete Formkörper verbessern, wobei sich die radial
ausgerichteten Schaufeln des Abweiserades von dessen Umfang bis zu dem
Formkörper erstrecken. Der Formkörper kann z. B. als Zylinder, Kegel
oder Kegelstumpf ausgebildet sein.
Bei der Klassierung eines in einer Flüssigkeit dispergierten
Feststoffes besteht in den meisten Fällen keine Gefahr, daß sich der
Feststoff an den von der Dispersion berührten Flächen ansetzt. Daher
ist es möglich, bei fliegender Lagerung des Abweiserades die
Antriebswelle, bei zweiseitiger Lagerung eine Achse für den
Feingutaustrag rohrförmig auszubilden. Eine auf wendige Abdichtung des
Feingutaustrittes gegen den Innenraum des Gehäuses kann dann
entfallen. Die ausgetragene Feingutdispersion wird in einem Sammler
aufgefangen und kann dann frei abfließen. Eine vorteilhafte Ausbildung
ergibt sich dabei, wenn der oben erwähnte Formkörper als Teil der
hohlen Antriebswelle oder Achse ausgebildet ist und für jeden von den
Schaufeln des Abweiserades gebildeten Strömungskanal zumindest eine
Öffnung aufweist, durch die Flüssigkeit und Feingut in die hohle Welle
oder Achse eintreten kann.
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Funktionell
gleiche Bauelemente haben in allen Zeichnungen die gleiche
Positionsnummer.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäß
ausgebildete Vorrichtung mit zylindrischem Gehäuse 1, an das die
Lagerung 8 zur Aufnahme des Abweiserades 3 direkt angeflanscht ist.
Das vertikalachsige Abeiserad 3 wird über Riemenscheibe 12 und
Hohlwelle 9 angetrieben, deren Lager mit einer Wellendichtung 6 gegen
den Innenraum des Gehäuses 1 abgedichtet sind. Das zu trennende, in
einer Flüssigkeit dispergierte Aufgabegut wird durch Anschluß 2 in das
Gehäuse 1 gepumpt, von wo es in das Abweiserad 3 gelangt. Das durch
die Trennwirkung des Abweiserades 3 abgetrennte Feingut wird zusammen
mit einem Teil der Flüssigkeit als Feingutdispersion durch die
Hohlwelle 9 in den feststehenden Feingutsammler 10 ausgetragen und
fließt durch Anschluß 4 zur Weiterverwendung ab. Das vom Abweiserad 3
abgewiesene Grobgut strömt mit der restlichen Flüssigkeit durch die im
Boden des Gehäuses 1 zentral angeordnete Öffnung 11 in den
Grobgutsammler 13 ab, den es durch Anschluß 5 als Grobgutdispersion
verläßt. Die Menge der abfließenden Grobgutdispersion kann durch
Ändern des Querschnitts der Öffnung 11 gesteuert werden; dazu dient
hier der axial verstellbare Schieber 7.
Fig. 2 zeigt eine Variante mit mehreren, horizontalachsigen
Abweiserädern 3, die in einem gemeinsamen Gehäuse 1 angeordnet sind.
Jedes Abweiserad 3 wird durch einen eigenen (hier nicht dargestellten)
Motor über Riemenscheibe 12 angetrieben. Damit ist es möglich, die
Drehzahl eines jeden Abweiserades 3 individuell einzustellen, so daß
aus einer Aufgabegutdispersion gleichzeitig auch mehrere
unterschiedlich zusammengesetzte Feingutdispersionen abgezogen werden
können. Vorzugsweise wird diese Variante dazu verwendet, hohe
Durchsätze bei niedriger und bei allen Abweiserädern gleicher
Trenngrenze zu erreichen.
In Fig. 3 ist anstelle des geraden Bodens von Gehäuse 1 (Fig. 1) ein
trichterförmiges, sich nach unten verjüngendes Bauteil 14 befestigt,
an dessen tiefster Stelle der Anschluß 2 für den Zulauf der
Aufgabegutdispersion mündet. Gegenüber Fig. 1 sind die Anschlüsse 2
und 5 in ihrer Lage vertauscht. Diese Ausbildung dient dazu, eine
Vorklassierung des Aufgabegutes zu erreichen, derart, daß das drehende
Abweiserad 3 eine Rotation der eingebrachten Dispersion bewirkt, durch
die grobe Partikel noch vor Eintritt in das Abweiserad 3 an die den
Innenraum begrenzenden Wände von Bauteil 14 und Gehäuse 1 getragen und
dort abgebremst werden, so daß sie nicht mehr in das Abweiserad 3
eintreten können, sondern gleich durch den Anschluß 5 ausgetragen
werden. Die Mengeneinstellung für die Grobgutdispersion erfolgt hier
durch den direkt in den Anschluß 5 eingesetzten Schieber 7.
Die Abweiseräder 3 in den Fig. 1 bis 3 bestehen im wesentlichen aus
zwei, mit axialem Abstand miteinander verbundenen Begrenzungsscheiben
15, 16, zwischen denen parallel zur Drehachse verlaufende und
Strömungskanäle bildende Schaufeln 17 über den Umfang der Scheiben
gleichmäßig verteilt sind, wobei sie senkrecht oder unter einem Winkel
zum Umfang ausgerichtet sein können. Durch eine zentrale Bohrung in
der einen Begrenzungsscheibe 15 wird die Feingutdispersion in die
Hohlwelle 9 ausgetragen. Die durch die Außenkanten der Schaufeln 17
bestimmte Umfangsfläche ist eine Zylinderfläche. Sie kann aber auch
wie in Fig. 4 als Kegelfläche mit größtem Durchmesser an der
Begrenzungsscheibe 15 mit der zentralen Bohrung ausgebildet sein, um
eine gleichmäßigere Durchströmung des Abweiserades 3 vor allem im
freien Innenraum zu erreichen.
Die gleiche Aufgabe erfüllt in Fig. 5 der konzentrisch in das
Abweiserad 3 eingesetzte und an der Begrenzungsscheibe 16 befestigte
kegelförmige Formkörper 18.
Die Abweiseräder 3 der Fig. 6 und 7 haben wiederum eine
zylindrische Umfangsfläche, wobei sich die hier radial ausgerichteten
Schaufeln 17 jedoch bis zur Drehachse des Abweiserades 3 erstrecken.
Bei dieser Ausführung bildet sich keine Potentialwirbel-, sondern eine
Festkörperwirbelströmung im Abweiserad 3 aus. Am Abweiserad 3 der Fig.
7 sind außerdem noch ebene Ringscheiben 19 mit gleichem gegenseitigen
Abstand befestigt, die sich vom Außenumfang des Abweiserades 3 radial
nach außen erstrecken und zur Vorbeschleunigung der von außen dem
Abweiserad 3 zuströmenden Aufgabegutdispersion dienen.
Die Fig. 8 und 9 zeigen in Längs- und Querschnitt ein Abweiserad 3
mit koaxialem Formkörper in Form eines Zylinders, der als Teil der
Hohlwelle 9 ausgebildet ist. Für jeden von zwei benachbarten Schaufeln
17 gebildeten Strömungskanal weist der Formkörper eine Spaltöffnung 20
in Länge der axialen Erstreckung der Schaufeln 17, durch die die
Feingutdispersion in die Hohlwelle 9 eintreten kann, von wo sie über
den Feingutsammler 10 und Anschluß 4 (Fig. 1 bis 3) aus der
Trennvorrichtung abgeführt wird.
Claims (12)
1. Verfahren zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in ein
Feingut und ein Grobgut, dadurch gekennzeichnet, daß der
feinkörnige Feststoff in einer tropfbaren Flüssigkeit dispergiert
und die Dispersion in eine definierte Senkenströmung mit
überlagerter, unabhängig von der Senkenströmung erzeugter
Rotationsströmung gezwungen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Trennkorngröße zwischen Feingut und Grobgut des feinkörnigen
Feststoffs durch Wahl des Verhältnisses der Geschwindigkeiten von
Senken- und Rotationsströmung eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzeugung der Senkenströmung die Dispersion durch ein Abweiserad
mit parallel zu seiner Drehachse verlaufenden und Strömungskanäle
bildenden Schaufeln vom Außenumfang zum Zentrum strömend gepumpt
wird und zur Erzeugung der Rotationsströmung das Abweiserad
rotierend angetrieben wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem druckfesten Gehäuse (1) mit
Anschlüssen für das Einbringen der Aufgabegutdispersion (2) und
das Austragen von Feingut- (4) und Grobgutdispersion (5),
mindestens einem im Gehäuse (1) drehbar angeordneten und
antreibbaren Abweiserad (3) und einer Speisepumpe für das
Einbringen der Aufgabegutdispersion (2).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gehäuse (1) im wesentlichen als rotationssymmetrischer Behälter
ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anschluß für die Grobgutdispersion (5) am unteren Ende des
Gehäuses (1) und zentral dazu angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anschluß für die Aufgabegutdispersion (2) am unteren Ende des
Gehäuses (1) und zentral dazu angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt des Anschlusses für
die Grobgutdispersion (5) in der Größe einstellbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß am Anschluß für die Grobgutdispersion (5) eine
Saugpumpe mit einstellbarer Förderleistung angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaufeln (17) des Abweiserades (3) radial
ausgerichtet sind und sich vom Umfang bis in den Bereich der
Drehachse des Abweiserades (3) erstrecken.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaufeln (17) des Abweiserades (3) radial
ausgerichtet sind und sich von dessen Umfang bis zu einem
rotationssymmetrisch ausgebildeten und koaxial zum Abweiserad (3)
angeordneten Formkörper (18) erstrecken.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Formkörper (18) ein Teil der als Hohlwelle ausgebildeten
Antriebswelle (9) des Abweiserades (3) ist, der für jeden von den
Schaufeln (17) gebildeten Strömungskanal zumindest eine Öffnung
(20) für den Feingutaustritt aufweist.
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