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Das
Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft die zyklonische Trennung
von Feststoffen aus Flüssigkeiten
oder Flüssigkeiten
aus Flüssigkeiten.
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Zyklone
werden seit vielen Jahren von einer Anzahl von Industrien für Trennungsanwendungen verwendet.
Typischerweise besitzen diese Einrichtungen einen zylindrischen
Körper,
der sich zu einem Unterlaufauslass hin verjüngt, mit einem tangentialen oder
evolventen Eingang und einer zentral angeordneten Endverbindung
für die
Oberlauffluide am oberen Ende des Hydrozyklons. Diese Einrichtungen werden
dazu verwendet, Fluide mit unterschiedlichen Dichten zu trennen
und/oder Feststoffe aus einem hereinkommenden Strom einer Aufschlämmung oder Flüssigkeit
und Feststoffe zu entfernen, wodurch die Feststoffe im Allgemeinen
im Unterlaufstrom konzentriert werden.
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Im
Laufe der Jahre sind viele Versuche unternommen worden, um die Leistung
von Hydrozyklonen zu optimieren. Die Leistungssteigerung konnte anhand
der Durchsatzsteigerung ohne Materialverlust im für einen
bestimmten Betriebsdruckabfall gewünschten Trennungsumfang ermessen
werden. Eine Alternative zur Ermessung der verbesserten Leistung
ist es, die Trennungswirksamkeit für eine bestimmte Einlassströmungsrate
und Zusammensetzung zu erhöhen.
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Früher ist
ein Zyklon mit einer einzelnen Schräge mit einer generell ebenen
Fläche
ausgerüstet
worden, die in einem relativ flachen Winkel zu einer radialen Ebene
des Hydrozyklons verläuft
und daher zum Unterlaufende des Hydrozyklons hin geneigt ist. Als
Ergebnis wirbelt das Fluid, wenn das Fluid durch den Einlass einströmt, um die
Achse der Kammer, wobei die Rückwand
dem Gemisch eine Axialgeschwindigkeitskomponente in Richtung auf den
Unterlaufauslass verleiht. Dieser Aufbau ist in der PCT-Anmeldung
WO 97/05956 veranschaulicht. Die PCT-Anmeldungen WO 97/28903, WO 89/08503,
WO 91/16117 und WO 83/03369; die UK-Patentschrift 955 308; UK-Anmeldung
GB 2230210A; die euro päischen
Anmeldungen 0068809 und 0259104; und die US-Patente 2,341,087 und 4,778,494
sind für
ein generelles Verständnis über die
Prinzipien des Betriebs von Hydrozyklonen auch wichtig.
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In
der Vergangenheit wurde eine einzelne Helix mit gleichförmiger Steigung
verwendet, um für das
einströmende
Gemisch eine geneigte Fläche
zu bilden. Die geneigte Fläche
endete an einem Absatz, nachdem das einströmende Gemisch eine vollständige Umdrehung
innerhalb der Trennkammer durchlaufen hatte. Daher benötigte dieser
bekannte Aufbau, der in der PCT-Anmeldung WO 97/05956 veranschaulicht
ist, den gesamten einfließenden
Fluidstrom und verlieh dem generell schraubenförmigen Strömungsweg des gesamten einfließenden Stroms eine
generell gleichförmige
Geschwindigkeitsaxialkomponente.
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Allerdings
haben die ausführlichen
Untersuchungen der Anmelderin über
den Axialfluidstrom nach seinem Eintreten in den Hydrozyklon gezeigt, dass
in radialer Richtung von der Längsmittellinie
des Hydrozyklons aus gesehen ein bevorzugtes Strömungsmuster ungleichmäßig wäre, wobei
die größte Geschwindigkeit
benachbart zur Umfangswand des Hydrozyklons liegt. Beim radialen
Einströmen
vom Außenrand
zur Längsachse
nimmt die Axialgeschwindigkeitskomponente der Fluidmasse ab, bis eine
Richtungsumkehr erfolgt, was den Fluidstrom, der in Richtung auf
den Oberlaufauslass fließt,
darstellt.
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Demgemäß war es
auf der Suche nach weiteren Kapazitäts- oder Wirksamkeitsverbesserungen eines
der Ziele der vorliegenden Erfindung, die Turbulenz im Hydrozyklon
zu minimieren und dadurch seine Leistung zu steigern. Die Kapazitätsverbesserung
wurde dadurch erreicht, dass erkannt wurde, dass zum Minimieren
der Turbulenz der einfließende Fluidstrom
axial bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten geführt werden
sollte, je nach der radialen Platzierung des Stroms im Körper. Demgemäß ist das
Ziel zur Verbesserung des Durchsatzes und/oder der Trennungswirksamkeit
in der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht worden, dass dieses
Erfordernis der Turbulenzreduzierung erkannt wurde und diesem leistungssteigernden
Erfordernis durch eine speziell aufgebaute Rückwandschräge mit mehreren nebeneinander
angeordneten spiralförmigen
Neigungen Rechnung getragen wurde, wobei die stärkste Neigung am weitesten von
der Längsachse
entfernt ist und wobei benachbarte Neigungen flacher werden, wenn
radial nach innen in Richtung auf die Längsachse zu gemessen wird.
Der Fachmann wird die Bedeutung der vorliegenden Erfindung bei Durchsicht
der ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform nachstehend umfassender einschätzen können.
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Eine
Verbesserung bezüglich
der Wirksamkeit und/oder des Durchsatzes eines Hydrozyklons wird
durch Vorsehen einer Rückwand
erzielt, die den Fluiden am Umfang eine größere Axialgeschwindigkeitskomponente
verleiht, wie radial von der Längsachse
des Hydrozyklons gemessen, und Teilen des einfließenden Fluidstroms,
die sich näher
an der Längsachse
des Hydrozyklons befinden, eine geringere Axialgeschwindigkeitskomponente.
Insbesondere sollte die Rückwand
im Allgemeinen dem Wirbelmuster im Hydrozyklon entsprechen, d.h.
einer Kombination aus Axial- und Tangentialgeschwindigkeitskomponenten,
um zu ermöglichen,
dass der einfließende
Fluidstrom das gewünschte
Strömungsmuster
schneller und wirksamer als sonst möglich erreicht.
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Spezielle
Ausführungsformen
gemäß der Erfindung
werden beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
worin
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1 eine
Aufrissansicht ist, die die unterschiedlichen Neigungsgrade der äußeren und
inneren Schräge
zeigt;
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2 die
Ansicht entlang der Linien 2-2 der 1 ist, die
die Schrägen
von der Unterseite nach oben zum Oberlaufauslass weisend zeigt;
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3 eine
perspektivische, teilweise weg geschnittene Ansicht ist, die die
beiden Schrägen
bei unterschiedlichen Winkeln veranschaulicht;
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4 eine
schematische Darstellung der Geschwindigkeitsverteilungen in axialer
Richtung ist, die überlagert
auf einer Schnittansicht durch die Überlauf- und Unterlaufverbindungen gezeigt sind, und
zwar bei einer alternativen Ausführungsform
mit gekrümmter
Schräge;
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5 eine
Schnittansicht durch die Schräge ist,
die zeigt, dass an jedem bestimmten Abschnitt die radiale Linie
von der Längsmittellinie
mit der Schrägenfläche zusammenfällt;
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6 ähnlich der 5 ist,
mit der Ausnahme, dass die beiden gezeigten Schrägen in einem Winkel zur Längsachse
angeordnet sind, wenn eine Linie über ihre Fläche in einem bestimmten Abschnitt über die
Längsachse
verläuft;
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7 eine
alternative Ausführungsform
eines Mehrschrägenaufbaus
ist, der in den anderen Figuren veranschaulicht ist, und die Fähigkeit
zeigt, eine größere Axialkomponente
für den
Fluidstrom, der von einer Längsachse
am weitesten entfernt ist, und eine geringere Komponente näher zur
Längsachse
vorzusehen, indem eine Oberfläche
mit Kurven oder Bögen
versehen ist, um so einen weicheren Übergang anstatt einen stufenförmigen Übergang von
einer Schräge
zur anderen er erhalten, wie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt
ist.
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Der
Hydrozyklon 10 weist einen Einlass 12 auf, der
tangential oder evolvent sein kann, wie in der 3 veranschaulicht
ist. Es können
ein oder mehr Einlässe
verwendet werden. Der einfließende
Strömungsstrom
ist einem steileren äußeren Schrägabschnitt 14 ausgesetzt
sowie dem flachen oder inneren Schrägabschnitt 16. Die 2 veranschaulicht den
Einlass 12 und die Anordnung der äußeren Schräge 14, die dem Körper 18 am
nächsten
liegt, besser. Eine Längsachse 20 verläuft von
der Unterlaufverbindung 22 zur Oberlaufverbindung 24.
Eine Wand 26 kennzeichnet das Innere der inneren Schräge 16 und
windet sich spiralig um die Längsachse 20 generell
in einer Richtung parallel zur Längsachse 20 im
Hinblick auf die Tatsache, dass der Körper 18 im Bereich
der Schrägen 14 und 16 generell
zylindrisch ist. In der in der 2 veranschaulichten
Ausführungsform
gibt es zwei Einlässe
und die Länge
der Schrägen 14 und 16 beträgt generell
180°. Aufgrund der
spiraligen Ausrichtung der Schrägen 14 und 16 winden
sie sich radial benachbart zum gegenüberliegenden Einlass nach oben,
wenn sie eine 180°-Drehung
in dem Körper 18 vollzogen
haben. Die 2 veranschaulicht auch die innere
Schräge 16,
die vom unteren Ende der Wand 26 aus verläuft und
sich auf dieselbe Weise wie die äußere Schräge 14 spiralig windet,
allerdings mit unterschiedlicher Steigung, wie in den 1 und 3 veranschaulicht
ist.
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Demgemäß wird der
Teil des Einlassfluids, der durch die innere Schräge 16 steigen
gelassen wird, in einem weit flacheren Winkel steigen gelassen als
das Fluid, das radial am weitesten von der Längsachse 20 entfernt
ist und das durch die äußere Schräge 14 steigen
gelassen wird. Das Vorsehen des Doppelschrägenaufbaus minimiert die interne
Turbulenz im Hydrozyklon 10 und verbessert so den Durchsatz
und/oder die Trennungswirksamkeit bei einem bestimmten Körperaufbau.
Es wurden Testvergleiche mit einem identisch gestalteten Hydrozyklon
vorgenommen, um Öl
von Wasser zu trennen, der im Vergleich zu demselben Aufbau sowohl
mit einer inneren Schräge
von 3° als
auch einer äußeren Schräge von 10° mit einer
einzelnen inneren Schräge
von 3° ausgestattet
war. Die Testergebnisse zeigten eine Kapazitätssteigerung gegenüber einem
Grundlinien-Hydrozyklon
ohne solche Schrägen
von 3% für
den Einzelschrägenaufbau,
und 8% für
den Doppelschrägenaufbau,
ohne dass die Trennung signifikant beeinflusst wurde.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 wird die Überlaufverbindung 50 in
Ausrichtung zur Mittellinie 20 dargestellt. Gezeigt wird
die niedrige Schräge 16, die
in die Rückwand 52 übergeht.
Die Rückwand 52 kann
flach sein und in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 20 liegen
oder alternativ kann sie konkav nach oben oder konkav nach unten
bezüglich
der Unterlaufverbindung 22 oder Überlaufverbindung 24 oder 50 sein.
Die innere niedrige Schräge 16 kann
so gestaltet sein, dass sie sanft in die Rückwand 52 übergeht,
oder sie könnten
unterschiedliche Winkel haben, ohne dass vom Umfang der beigefügten Ansprüche abgewichen
wird.
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Die 4 veranschaulicht
konzeptuell die Änderung
der Axialkomponentengeschwindigkeit, gemessen auf einer radialen
Linie von der Innenwand des Körpers 18 zur
Längsmittellinie 20.
Die 4 veranschaulicht, dass die nach unten gerichtete
Axialkomponente entlang dem Inneren der Wand 18 am größten ist
und sich mengenmäßig nach
unten vermindert, bis am Punkt 28 eine Umkehr erfolgt.
Danach veranschaulicht der Pfeil 30, dass ein Geschwindigkeitsanstieg
in der entgegengesetzten Richtung zur Überlaufverbindung 24 oder 50 realisiert
ist. Das Konzept hinter der Mehrfachschräge der vorliegenden Erfindung
ist es, so genau wie möglich das
Geschwindigkeitsprofil, das in der 4 veranschaulicht
ist, zu imitieren, was auch Änderungen des
Tangentialgeschwindigkeitsprofils zulässt. Dies lässt sich mit zwei oder mehr
Schrägen
mit unterschiedlichen Neigungen erzielen, die einander gegenüber liegen
und vom Inneren des Körpers 18 zur Mittellinie 20 verlaufen.
Anstatt separate Schrägen mit
unterschiedlichen Neigungen aufzuweisen, die zueinander benachbart
angeordnet sind, wobei Wände
sich generell spiralig in einem unveränderlichen Abstand von der
Mittellinie 20 winden, kann die Schräge der vorliegenden Erfindung
auch als kontinuierliches Element aufgebaut sein, das die absatzweisen Änderungen
zwischen den Schrägen
ausschaltet, die zum Beispiel von der Wand 26 aufgenommen
werden, wie in der 2 gezeigt. Stattdessen kann
die Schräge 32,
wie in der 4 gezeigt, benachbart zur Innenwand
des Körpers 18 einen steileren
Gradienten und zur Mittellinie 20 hin einen flacheren Gradienten
haben und trotzdem einen einheitlicheren Aufbau mit weicheren Übergängen von einem
Schrägengradienten
zum nächsten
aufweisen und zur Schaffung solcher Übergänge gekrümmte Oberflächen verwenden, wie schematisch
in der Querschnittsansicht der 4 veranschaulicht
ist.
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Die 5, 6 und 7 veranschaulichen
alternative Ausführungsformen.
Die 5 entspricht dem in der 2 gezeigten
Doppelschrägenaufbau,
der in einer speziellen Schnittansicht durch den Hydrozyklon gezeigt
ist. In dieser Ausführungsform
wird eine Linie, die parallel zur Schrägenfläche in dem bestimmten Abschnitt
gezogen wird, nach oben gewunden und kreuzt die Mittellinie 20 mit
etwa 90°.
Die in der Schräge
in der 6 vorgenommene Änderung soll grundlegend die
Mehrfachneigungsschräge
in einer geneigten Position so zeigen, dass eine Linie parallel
zur Schrägenfläche in einem
bestimmten Abschnitt die Mittellinie 20 in einem Winkel schneidet,
der kein rechter Winkel ist, wie in der 5 vorgeschlagen.
Die 7 gibt wiederum an, dass absatzweise Änderungen
zwischen den Schrägen
vertikale Wände
sein können,
wie in der 5 gezeigt, oder ein oder mehrere
gebogene Flächen sein
können,
um den Übergang
von einer größeren Axialkomponente
zur Wand hin zu einer geringeren Axialkomponente zur Mittellinie
hin zu bilden.
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Demgemäß bringt
das Vorsehen von Doppelschrägen
eine messbare Verbesserung der Kapazität, ohne dass die Trennungswirksamkeit
geopfert wird. Die Brei te jeder Schräge und der absolute Winkel
bezüglich
des Einlasses 12 können
variiert werden und die relativen Winkel können auch variiert werden,
ohne dass vom Umfang der beigefügten
Ansprüche
abgewichen wird. Wie zuvor erwähnt,
sind für
den bestimmten, oben beschriebenen Aufbau die Schrägenwinkel
3° und 10° optimal
für die
innere und äußere Schräge 16 bzw. 14.
Das Gradientenverhältnis
von äußerer Schräge 14 zu
innerer Schräge 16 kann
so niedrig wie etwa 1:2 und so hoch wie etwa 1:5 sein. Bei nur einem
einzelnen Einlass können
die Schrägen
sich über
mehr als 180° erstrecken
und bis etwa 360° reichen.
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Die
vorstehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung sind veranschaulichend
und erläuternd
und es können
verschiedene Änderungen der
Größe, Form
und Materialien sowie der Details des veranschaulichten Aufbaus
vorgenommen werden, ohne dass vom Umfang der beigefügten Ansprüche abgewichen
wird.