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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwässerung wasserhaltiger
Teilchenansammlungen, in welchem wenigstens eine einer möglichen Vielzahl von Entwässerungsstufen
mit Hilfe von Gas bewirkt wird, welchem durch die und quer zur Teilchenansammlung ein
Druckunterschied erteilt wird.
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Wasserhaltige Teilchenansammlungen, wie Mineraliensuspensionen und Fasersuspensionen,
werden oftmals entwässert, indem man zunächst die Teilchenansammlung mechanisch auf ein
Filtermedium pumpt und/oder die Ansammlung unter hohem Druck gegen dieses Medium preßt,
um einen Filterkuchen zu bilden, aus welchem dann Wasser unter dem Einfluß von Gas unter
Druck entfernt wird. Entwässerung kann durchgeführt werden, indem man ein Vakuum verwendet
und/oder indem man Druckgas benutzt, wobei dieses Gas normalerweise Druckluft ist. So wird
in beiden Fällen und auch in verschiedenen Kombinationen hiervon der Filterkuchen einem
Druckunterschied ausgesetzt, welcher im Prinzip aus der Summe des niedrigen Druckes auf der
Saugseite und des hohen Druckes auf der Druckseite besteht. Das Entwässerungsverfahren wird
durch den Einfluß dieses Druckunterschiedes in drei aufeinanderfolgenden Phasen bewirkt,
hauptsächlich einer Durchdringungsphase, die begonnen wird, indem man voll gesättigten
Filterkuchen auf einer Seite desselben Druckgas aussetzt, und beendet wird, wenn das Gas durch
den Filterkuchen durchbricht (Durchdringung) und so aus der anderen Seite des Kuchens austritt.
Während dieser Phase wird in dem Kuchen vorhandenes Wasser einfach durch die vorrückende
Gasfrontvorwärtsverdrängt. Während der zweiten Phase, derAblaufphase, strömt das Gas durch
den Filterkuchen, während ein Druckunterschied in dem Kuchen aufrechterhalten wird, wobei das
Wasser in diesem Fall dazu gezwungen wird, sich in der gleichen Richtung wie das Gas zu
bewegen. Diese Phase endet, wenn die Wasserkapillarkräffe im Gleichgewicht mit dem örtlich in
dem Filterkuchen herrschenden Gasdruck stehen, mit einer anschließenden Abnahme des
Wasserstromes. Wenn dieser Zustand erreicht ist, kann weiteres Wasser nur durch Verdampfen
von Wasser in den strömenden Gasfluß entfernt werden. Diese letzte Entwässerungsphase, die
Trocknungsphase, ist somit abhängig vom Gasmassenfluß, von der Temperatur und von dem
Druck.
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Der oben erwähnte Entwässerungsmechanismus wird in mehreren Verfahren angewendet, die
industriell zum Zwecke einer Entwässerung von Teilchenansammlungen in drei Phasen oder
Stufen verwendet werden. Somit besteht ein gemeinsames Merkmal dieser Verfahren darin, daß
die Entwässerung in wenigstens einer der Verfahrensstufen mit Hilfe eines Gases bewirkt wird,
dem ein Druckunterschied durch die und quer zu der Teilchenansammlung erteilt wird.
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Beispielsweise beschreibt "Solid/Liquid Separation Technology", veröffentlicht von Uplands
Press Ltd., 1981 auf Seite 331 ein solches Verfahren, in welchem Gas in die Teilchenansammlung
mit einem Druck von 0,6 MPa (6 bar) eingeblasen wird, während die Endstufe durch
mechanisches Preßentwässern der Teilchenansammlung bewirkt wird.
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Nach einer anderen bekannten Methode, die in der SE-A-453 726 (Sala International)
beschrieben ist, wird die Endsenkung des Feuchtigkeitsgehaltes der Teilchenansammlung durch
Druckluftblasen erzielt.
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Ein gemeinsames Merkmal aller bisher bekannter Verfahren besteht jedoch darin, daß eine
weitere Senkung des Feuchtigkeitsgehaltes nur erreicht werden kann, indem man die Blaszeit
oder die Kuchenerhitzungszeit verlängert. Beide Fälle erfordern somit eine hohe Energiezufuhr.
Außerdem vermindert eine verlängerte Blaszeit die Kapazität des verwendeten Filtermediums.
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Wegen höherer Energiekosten und der immer größeren Forderungen nach wirtschaftlicheren
Entwässerungsverfahren für Teilchensuspensionen besteht ein Bedarf an einer weiteren
Entwicklung solcher Entwässerungsverfahren, die solche Verfahren aus der Sicht des
Energieverbrauches bei der Behandlung dieser Materialien weniger prohibitiv macht. Derzeit
werden Energiekosten als ein sehr wichtiger Faktor bei den gesamten Entwässerungskosten
angesehen. Folglich findet man einen ständig wachsenden Wunsch nach
Teilchenansammlungsentwässerungsverfahren, die die Erfordernisse eines niedrigeren Energieverbrauch es und/oder
höherer Produktivität erfüllen.
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Es erwies sich nun überraschenderweise als möglich, ein Verfahren zu bekommen, das es
ermöglicht, auf einfache Weise den Energieverbrauch niedrig zu halten und höhere Produktivität
zu erzielen. Das erfinderische Verfahren ergibt sich aus seinen kennzeichnenden Merkmalen, die
in den folgenden Verfahrensansprüchen angegeben sind.
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Somit beruht das neue und erfinderische Verfahren auf dem Prinzip einer
Druckgasentwässerung der Teilchenansammlung oder -anhäufung in im wesentlichen einer einzigen Phase,
nämlich der Durchdringungsphase, statt in allen drei Phasen der oben kurz beschriebenen
herkömmlichen Methode. Es wurde äußerst überraschend gefunden, daß eine Entwässerung in
einer einzigen Phase in einer Weise bewirkt werden kann, daß weitere Entwässerungsphasen
unnötig gemacht werden, womit die Energiezufuhr optimal ausgenutzt wird. Gemäß der Erfindung
wird die Entwässerung mit einem hohen Gasdruck oder großem Druckunterschied von nicht
weniger als 0,1 MPa (1 atm) während einer wohl definierten Zeitdauer durchgeführt, nämlich
während der Zeit, die sich das Gas nimmt, die Teilchenansammlung (den Filterkuchen) zu
durchdringen, d. h. zu durchströmen. Während der Entwicklung der vorliegenden Erfindung erwies
es sich als möglich, den gleichen Restfeuchtigkeitsgehalt in der Teilchenansammlung mit einer
Nettoenergiezufuhr von nur einem Hundertstel oder noch weniger derjenigen zu erreichen, die
erforderlich ist, wenn herkömmliche Gasdruckentwässerungsverfahren angewendet werden.
Gleichzeitig führte die Erfindung zu höherer Produktivität bei einer bestimmten
Entwässerungsapparatur, da die zum Entwässern der Teilchenansammlung bis zu dem oben genannten gleichen
Feuchtigkeitsgehalt erforderliche Zeit auch drastisch fiel.
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Die von dem Gas für die Durchdringung einer Teilchenansammlung benötigte Zeit ist eine
äußerst komplexe Größe, die unter anderem von der Dicke oder Tiefenausdehnung der
Teilchenansammlung (des Filterkuchens), dem angewandten Druck, der Porosität des
Filterkuchens, der spezifischen Oberfläche und Dichte der Teilchen, der Viskosität des Wassers
und dem Feststoffanteil in der Teilchenansammlung abhängt.
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Je höher der Druckunterschied ist, desto kürzer ist die Zeit, die für die Durchdringung der
Teilchenansammlung benötigt wird, und desto größer ist paradoxerweise die Energieeinsparung,
die erreicht werden kann. Beispielsweise wurde gefunden, daß bei Entwässerung eines
bestimmten Mineralienkonzentrates die Durchdringungszeiten etwa 120 s bei 0,2 MPa (2 atm)
Druck, etwa 50 s bei 0,4 MPa (4 atm), etwa 30 s bei 0,6 MPa (6 atm), etwa 15 s bei 1 MPa (10
atmn) und nur etwa 10 s bei 2 MPa (20 atm) Druck waren. Entsprechende Restfeuchtigkeitsgehalte
waren in Gewichtsprozenten etwa 10 bei 0,2 MPa (2 atm), etwa 9 bei 0,4 MPa (4 atm), etwa 7
bei 0,6 MPa (6 atm), etwa 6,5 bei 0,8 MPa (8 atm), etwa 6 bei 1 MPa (10 atm) und etwa 5 bei
2 MPa (20 atm).
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druckunterschied
hervorgerufen, indem man zunächst ein bestimmtes bekanntes Gasvolumen auf einen Druck
komprimiert, der den vorbestimmten Druckunterschied in der und quer zu der
Teilchenansammlung liefert, während man möglichen Druckverlusten und einem gegebenenfalls auf der Saugseite
angewendeten Überumgebungsdruck Rechnungs trägt, wonach man das komprimierte Gas frei
auf die Teilchenansammlung einwirken läßt. Die einfachste Methode, dies in der Praxis zu
erreichen, ist die, Gas von einem kleinen Kompressor in einen Druckbehälter zu pumpen, bis der
erwünschte Druck erreicht ist, und dann ein Ventil zu öffnen, um so das Gas so lange
zwangsweise auf die Teilchenansammlung austreten zu lassen, wie das Gasvolumen zum
Expandieren benötigt In Kenntnis des Volumens des Druckbehälters ist es möglich, den Druck
zu berechnen oder gegebenenfalls umgekehrt, so daß die von dem Gas für den Austritt aus dem
Druckbehälter erforderliche Zeit im wesentlichen der Durchdringungszeit entspricht, wenn diese
bekannt ist oder unter Bezug auf das betreffende Material und die Entwässerungsvorrichtung
berechnet werden kann. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die davon ausgeht,
daß die Durchdringungszeit nicht bekannt ist, läßt man einen Gasstrom mit konstantem
vorbestimmtem Druck, der beispielsweise von einer Druckluftleitung abgenommen wird, auf die
Teilchenansammlung einwirken, bis Durchdringung erfolgt ist. Die Zeit, in welcher Durchdringung
erfolgt, kann verfolgt und auf verchiedenen Wegen angezeigt werden, obwohl es bevorzugt ist,
den Gasstrom durch die Teilchenansammlung kontinuierlich zu messen und den Gasstrom
automatisch zu unterbinden, wenn Durchdringung angezeigt wird. Natürlich können diese beiden
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf verschiedenen Wegen miteinander
kombiniert werden.
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Die Erfindung wird nun weiter im einzelnen unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform und auch unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in
welcher
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Fig. 1 ein prinzipielles Diagramm des in dem Druckbehälter herrschenden Gasdruckes in der und
quer zu der Teilchenansammlung als eine Funktion des Zustandes eines Arbeitszyklus ist
und
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Fig. 2 die grundsätzliche Konstruktion einer Vorrichtung zur Durchführung der bevorzugten
Ausführungsform erläuert.
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Bei Bezugnahme auf Fig. 2 wird Gas, normalerweise Luft, einem Druckbehälter 2 aus einem
Kompressor 1 zugeführt. Die Kapazität des Kompressors 1 wird vorzugsweise so ausgewählt, daß
ein erwünschter Maximaldruck Pb in dem DruckbehäIter 2 vor der Blasphase des Arbeitszyklus,
Zeitpunkt c in Fig. 1, erhalten wird. Auf diese Weise werden kleinere Abweichungen in der Dauer
des Arbeitszyklus den Maximaldruck Pb und damit das Endergebnis nicht beeinflussen. Folglich
wird der Kompressor 1 bei Punkt b (Fig. 1) entladen, an welchem der Druck Pb erreicht wurde,
z. B. durch einen Kompressorsteuerkreis 4, der durch ein von einem Druckmesser 3 erzeugtes
Steuersignal aktiviert wird, wobei eine Rückleckage von Gas durch den druckentlasteten
Kompressor 1 durch ein Rückschlagventil 5 verhindert wird. Das Volumen des Druckbehälters 2
wird so ausgewählt, daß der brauchbare Teil des eingeschlossenen komprimierten Gases mit
Druck Pb einen Energieinhalt hat, welcher der zum Austreiben von Flüssigkeit erforderlichen
Energie entspricht. Wenn der Arbeitszyklus den Zeitpunkt c erreicht, wird ein Ventil 6 durch die
Hilfsbetriebseinrichtung 6a geöffnet, so daß Gas in die Hochdruckseite 8 einer Kammeranordnung
7 der in der oben erwähnten Veröffentlichung SE-A-453 726 beschriebenen und erläuterten Art
fließt. Der Gasdruck fällt von Druck Pb auf Druck Pn als Ergebnis der Steigerung des verfügbaren
Gasvolumens, wobei dieser Gasdruck Pn so ausgewählt wird, daß das restliche Austreiben von
Flüssigkeit bei Beendigung der Durchdringung des Gases und der damit verbundenen Senkung
des Druckes zum Zeitpunkt e erreicht wurde. Das Gas auf der Hochdruckseite 8 kann sich nur
weiter ausdehnen, während Flüssigkeit aus der anfangs mit Flüssigkeit gesättigten
Teilchenansammlung 9 verdrängt wird. Die verdrängte Flüssigkeit tritt in die Niederdruckseite 10 der
Kammer 7 aus und wird von der Niederdruckseite durch die Ablaufleitung 11 weggeführt. Das Gas
erreicht die Niederdruckseite 10 zum Zeitpunkt d, womit die Fließgeschwindigkeit des Gases
drastisch ansteigt, während flußverhindernde Flüssigkeit aus dem Hauptteil des Porensystems in
der Teilchenansammlung 9 verdrängt wird. Der Gasdruck fällt nun schnell quer zu der
Teilchenansammlung 9, und das durchströmende Gas unterstützt das Ablaufen von Flüssigkeit
aus der Teilchenansammlung 9 und der Kammer 7. Das Ventil 6 wird zum Zeitpunkt e (alternativ
bei Druck Pm) geschlossen, und der Kompressor 1 wird auf seinen Arbeitszustand geschaltet, so
daß der Gasdruck wiederum auf Druck Pb während der Zeitpunkte e-b, ansteigt. Während dieser
Zeitdauer wurde die Kammer 7 geöffnet und ihr Inhalt entfernt und gegebenenfalls ein Waschen
des Filtermediums auf dem Gewebetuch durchgeführt, die Kammer 7 wurde wieder verschlossen
und erneut gefüllt, gegebenenfalls verbunden mit anschließendem Pressen der
Teilchenansammlung durch eine Membran.
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Die folgenden Vorteile finden sich unter jenen, die bei der Durchführung der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung erzielt werden können:
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1. Die zur Vervollständigung der Gasblasstufe erforderliche Zeit ist kürzer als die Zeit, die
erforderlich ist, wenn die bekannte Methode praktiziert wird. Beispielsweise erfordert ein
Kuchen von 32 mm eines bestimmten Hämatits mit einem k&sub8;&sub0;-Wert von 40 Mikron eine
Blaszeitvon etwa 330 s, um einen 6%igen Restfeuchtegehaltbei einem Druckunterschied
von 0,6 MPa (6 atm) zu bekommen. Beim Arbeiten gemäß der bevorzugten
Ausführungsform wird ein entsprechender Restfeuchtigkeitsgehalt nach einer Gesamtblaszeit von etwa
30 s erhalten, wenn der Druck Pn auf 1 MPa (10 atm) Überdruck eingestellt wird. In der
Praxis erhöht dies die Kapazität einer bestimmten Apparatur um etwa 100 %. Natürlich
senkt dies merklich die Investitionskosten der Presseneinrichtung.
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2. Die zum Austreiben von Flüssigkeit bis zu dem erwünschten Wert erforderliche
Nettoenergiezufuhr wird durch wirksamere Ausnutzung des verwendeten Gasmediums
gesenkt. In dem oben beschriebenen Beispiel fällt der Nettoenergieverbrauch von etwa
290 kJ/kg ausgetriebenes Wasser auf etwa 50 kJ/kg Wasser. Dies führt zu einer
wesentlichen Senkung der Betriebskosten.
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3. Das Kompressorerfordernis wird infolge der Verminderung der Energieerfordernisse
gesenkt. Bei Anwendung der bekannten Technik mit dem obigen Beispiel war ein
Kompressor erforderlich, der in der Lage ist, etwa 15 Mm³/m² Filterfläche bei 0,6 MPa (6
atm) über Umgebungsdruck während einer Zeitdauer von 5,5 min zu liefern, während die
bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung einen Kompressor erfordert, der etwa 2
Nm³/m² bei 1 MPa (10 atm) über Umgebungsdruck während einer Zeitdauer von etwa 5
min komprimieren kann. Dies vermindert die Kapitalkosten für periphere Einrichtungen.