DE69834351T2 - Ultraschallvorrichtung zur verbesserung des flüssig-festtrennungsverfahrens in suspensionen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Vorrichtung, welche entwickelt wurde für die Anwendung bei einem Ultraschalldehydratisierungsprozess, der schon in PCT/EP9601935 offengelegt ist zur fest-flüssig Trennung bei Schlammmassen (bekannt als "Kuchen"), die sich ergeben aus der Filterung von hochkonzentrierten Suspensionen. Bei dem oben erwähnten, schon patentierten Prozess wird die Flüssigkeit aus dem Inneren des porösen Feststoffs, wo sie sich befindet entfernt durch die Wirkung von Ultraschalldruck, der in Kombination mit einem bestimmten statischen Druck und in direktem Kontakt des Ultraschallstrahlers (Schwingplattentyp) mit der zu dehydratisierenden Masse ausgeübt wird.
• Eine zusätzliche Absaugung wird angelegt durch einige Löcher, die in die Auflage gemacht sind, auf der das zu dehydratisierende Produkt lokalisiert ist, um eine Entfernung der Flüssigkeit zu begünstigen. Ein Luftstrom, der über das Produkt geführt wird kann die Entfernung der Flüssigkeit, die aus dem porösen Körper entfernt wird durch akustische Schwingung auch begünstigen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Anwendung des zitierten Prozesses auf den letzten Trocknungsschritt der Schlammmasse, die auf der Oberfläche von Filtern aus Keramikmaterial, Textilmaterial oder irgendeinem anderen Material oder einer porösen Struktur ausgebildet ist, die durch Vakuum oder Druck bei Prozessen der fest-flüssig Trennung bei konzentrierten Suspensionen aktiviert werden. Im diesem Fall wird der Ultraschalldruck angewandt durch ein in Kontakt bringen der ultraschallemittierenden schwingenden Platte mit der zu dehydratisierenden Schlammmasse. Der positive statische Druck, der von der Außenseite ausgeübt wird kann in Abhängigkeit von dem Typ des Filters ersetzt werden durch ein Vakuum, das durch den Filter angelegt wird. Die Verwendung eines zusätzlichen Luftstroms kann passend sein. Die Eliminierung der Flüssigkeit findet statt durch die Poren des Filters auf Grund des zitierten Drucks oder Unterdrucks.
• Es gibt einen Stand der Technik der Anwendung von Ultraschall bei einer fest-flüssig Trennung in konzentrierten Suspensionen. Speziell legt U.S.-Patent Nr. 5292421 ein Trennsystem mit der Hilfe von elektrostatischen und akustischen Elementen dar. Sowohl das Funktionsprinzip jedoch (die Wirkung des akustischen Feldes wird auf die Suspension über die Flüssigkeit und nicht auf die Schlammmasse, die aus dem Filterprozess resultiert ausgeübt) als auch die Anordnung der Vorrichtung (sie besteht aus einer Anordnung von kleinen Ultraschallwandlern) unterscheiden sich beträchtlich von dem oben erwähnten Prozess selbst, dem Ziel des Patents entsprechend dem Stand der Technik (PCT/EP9601935) als auch von der Vorrichtung, die dort für die Anwendung dieses Prozesses vorgeschlagen wird.
• Die üblichen Verfahren der fest-flüssig Trennung durch Filterung mit abschließender Schlammmassenbildung sind begrenzt durch den Endfeuchtigkeitsgehalt, der in der Schlammmasse erzielt wird. Die Schlammmasse ist ein poröses Medium (es enthält Flüssigkeit und Luft) dessen feste Phase durch Partikel gebildet wird. Bei Vakuumfiltern zieht sich, während die Dehydratisierung des Mediums erzeugt wird das Wasser aus den Poren zurück und wird durch Luft ersetzt Bei Druckfiltern wird der Rückzug von Wasser begleitet durch eine Verdichtung der festen Phase. Es bleibt jedoch in beiden Fällen eine bestimmte Menge an Restflüssigkeit zurück, die schwer zu eliminieren ist. Andererseits gibt es einen bestimmten Anteil von chemisch absorbierten Flüssigkeitsmolekülen. Außerdem gibt es Flüssigkeit die durch Kapillardruck in den Zwischenräumen der Partikel und in Kanälen zwischen den Partikeln zurückgehalten wird. Dieser Kapillardruck beendet, indem er sich mit dem Unterdruck oder dem statischen Druck ausgleicht die Eliminierung der Flüssigkeit, welche aus der Schlammmasse entweicht Ultraschall von hoher Intensität begünstigt die Eliminierung dieser Restflüssigkeit durch die Effekte, welche durch die Spannungen und Beschleunigungen erzeugt werden, denen sowohl die flüssige Phase als auch die feste Phase unterworfen wird. Die Spannungen und die Beschleunigungen verursachen Veränderungen in der porösen Struktur, Änderungen der Viskosität (thixotropische Effekte), die Ausbildung von Mikroblasen und deren Aktivität (Kavitation und rektifizierte Diffusion) etc.. Die Bedeutung von diesen oder jenen Effekten hängt von dem Typ und der Struktur des Materials, das bearbeitet wurde, der Bearbeitungsdauer und der angewandten Ultraschallintensität ab.
• US-3,707,230 besitzt als ein Ziel Feststoffe aus einem Filter zu entfernen und so den Filter zu säubern; und legt ein Gerät offen, das ausgelegt ist Erosion zu erzeugen, um die Feststoffe zu entfernen. Das Design des offengelegten Geräts ist nicht kritisch für das Ziel der Erfindung. Das in dem Patent offengelegte Verfahren – auch wenn es Ultra schallenergie verwendet – bezieht die Erzeugung von verschiedenen Phänomenen und verschiedenen Bedingungen für die Anwendung der Ultraschallenergie ein.
• US-4,166,034 legt eine Trommel oder eine Scheibe mit einer Filtermembran auf der Oberfläche offen und die Trommel rotiert in ein Bad mit Partikelmaterial hinein und aus ihm heraus, so dass ein Filterkuchen an der Außenseite der Membran ausgebildet wird. Ein Schwingungserzeugungsbauteil mit einer Oberfläche in der Form eines langen schmalen Streifens ist gegen die Trommel über ein begrenztes Längsstück davon platziert in einem Gebiet des Filterkuchens. Das Schwingungserzeugungsbauteil kann in der Form einer resonanzvibrierten Schiene oder Röhre ausgebildet sein, die gegen die äußere Wand der Trommel vorgespannt ist. Wie in der Beschreibung angezeigt ist, wird das Schwingungserzeugungsbauteil nur und selektiv auf einen langen Streifen der Trommel angewandt und nicht auf die gesamte Trommel. Ferner sind die angewandten Weiten keine Ultraschallwellen und somit ist diese Vorrichtung keine Ultraschallvorrichtung im Gegensatz zu der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die Art der Einwirkung auf den Filterkuchen unterscheidet sich, unter anderem, auf Grund des Unterschieds bezüglich der Frequenz welche der Schwingungserzeuger verwendet.
• Beschreibung der Erfindung
• Das Vorliegende bezieht sich auf eine Ultraschallvorrichtung zur Verbesserung von Prozessen einer fest-flüssig Trennung in Suspensionen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem oder mehreren Wandlern (5) besteht, wobei die Wandler durch einen Schwingungserzeuger und einen plattenförmigen Strahler (6) gebildet werden und der plattenförmige Strahler an seiner Vorderseite ein gerilltes Profil und an seiner Rückseite ein gestuftes Profil besitzt.
• Die Erfindung ist ausgerichtet auf die Vorrichtung zur Anwendung des Ultraschallprozesses auf ein konventionelles Filtersystem, das durch Vakuum oder durch Druck aktiviert wird. Ein konventionelles Filtersystem wie jenes, das in 1 dargestellt ist, besteht grundsätzlich aus einer Scheibe aus Keramikmaterial, Textilmaterial oder aus irgendeinem anderen Material oder einer porösen Struktur (1), die teilweise in die Suspension (2) eingetaucht rotiert und in dem Fall dieses Beispiels einem Unterdruck unterworfen ist. Dieser Unterdruck erzeugt die Entfernung der meisten Flüssigkeit durch die Mikroporen des Filters, die durch Kapillareffekt das Eindringen von Luft verhindern. Die Schlammmasse, die ausgebildet wird, wenn sich die festen Partikel absetzen während die Flüssigkeit durch die Poren des Filters hindurchtritt, wird auf der Oberfläche (3) des Filters zurückgehalten. Diese Schlammmasse bildet eine poröse Struktur erzeugt durch den Feststoff der Ausgangssuspension zusammen mit einer bestimmten Menge verbleibender Flüssigkeit und Luft.
• Dann findet ein Dehydratisierungsschritt der Schlammmasse statt. Dieser Schritt wird in Luft ausgeführt, wenn der betrachtete Abschnitt der Scheibe sich außerhalb der Suspension befindet. Die Flüssigkeit wird teilweise durch Vakuum entfernt, wodurch man eine konzentriertere Schlammmasse erhält Das Material welches diese Schlammmasse enthält bildet das Endprodukt des konventionellen Trennungsprozesses und wird von dem Filter mit Hilfe von einigen Klingen (4) abgehoben.
• Die vorgeschlagene Ultraschallvorrichtung wirkt bei dem Dehydratisierungsschritt der Schlammmasse. Diese Vorrichtung (2) besteht im Prinzip aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wandler (5) mit einem plattenförmigen Strahler (6), der durch ein elektronisches System gespeist wird, das Hochpotential-Sinuswellen erzeugt mit Frequenzsteuerung und Nachlaufregelung (7) (europäisches Patent EP 450030A1 , 1991 und U.S.-Patent 5299175, 1994). Es ist wichtig den plattenförmigen Strahler (6) richtig auszulegen, so dass die Verteilung von Versetzungen auf ihm eine einheitliche Behandlung der Schlammmasse ermöglicht. Zu diesem Zweck und als ein grundlegendes Kriterium muss eine Form von Biegeschwingung gewählt werden, deren Knotenlinien senkrecht zu der Richtung der Bewegung des Mediums sind, das bearbeitet werden soll. Die Oberfläche des plattenförmigen Strahlers (6), die sich in Kontakt mit der Schlammmasse befindet kann flach, gerillt oder von irgendeinem anderen Profiltyp sein; allgemein erleichtert ein Profil mit Rillen mit einer Breite, die viel kleiner ist als die Wellenlänge in dem Metall, aus dem die Platte besteht, den Kontakt mit dem zu dehydratisierenden Material und hält den Energietransfer aufrecht. Die Rückseite des plattenförmigen Strahlers (6) kann gestuft sein, um die Verteilung der Schwingungsamplitude zu steuern. Die Kanten der Platte werden abgerundet und/oder gebrochen, um das Brechen der Schlammmasse zu verhindern, wenn sie in Kontakt mit dem plattenförmigen Strahler kommt.
• 3 zeigt das Abbild der Vorrichtung gekoppelt mit einem konventionellen Filter, wobei die Oberfläche des plattenförmigen Strahlers (6) in Kontakt mit der Oberfläche der Schlammmasse gesetzt ist. Die akustischen Wandler (5) sind auf einige Träger (8) gebaut, welche es gestatten, dass der Abstand zwischen dem plattenförmigen Strahler (6) und der Oberfläche des Filters variiert werden kann. Dieser Abstand wird eingestellt hinsichtlich der Dicke der Schlammmasse und ihrer Konsistenz. Der Kontakt plattenförmiger Strahler-Schlammmasse stellt eine geeignete Übertragung von Ultraschallenergie zwischen dem Ultraschallemitter und dem zu dehydratisierenden Medium dank einer guten Anpassung des mechanischen Widerstandes sicher. Die Bearbeitungszeit ist direkt mit der Rotationsgeschwindigkeit des Filters verknüpft. Die akustische Intensität wird variieren entsprechend der speziellen Anwendung und allgemein muss, je dicker die Schlammmasse ist um so größer die Intensität sein. Die Anwendung kann durch den Betrieb von einem oder mehreren Wandlern ausgeführt werden, abhängig von den Bedürfnissen.
• Auch wenn die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem rotierenden Scheibenfilter getestet wurde, könnte sie auch mit anderen Filterauslegungen wie Bandfiltern, Trommelfiltern etc. verwendet werden (4 und 5 zeigen diese möglichen Anwendungen).

Claims (9)

1. Ultraschallvorrichtung zur Verbesserung von Prozessen von Fest-Flüssig-Trennung in Suspensionen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem oder mehreren Wandlern (5) besteht, wobei die Wandler durch einen Schwingungserzeuger und einen plattenförmigen Strahler (6) gebildet werden und der plattenförmige Strahler an seiner Vorderseite ein gerilltes Profil und an seiner Rückseite ein gestuftes Profil hat.
2. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Strahler (6) Kanten hat, die abgerundet und/oder gebrochen sind.
3. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger piezoelektrisch oder magnetostriktiv ist.
4. Einsatz der Ultraschallvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche bei einem Prozess von Fest-Flüssig-Trennung in Suspensionen.
5. Einsatz der Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallvorrichtung bei einem Filter eingesetzt wird, der auf eine Schlammmasse einwirkt, die an der Oberfläche des Filters aufgrund eines Filterzyklus in einem flüssigen Medium ausgebildet wird.
6. Einsatz der Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallvorrichtung bei einem Filter eingesetzt wird, der auf die Schlammmasse während des Schrittes des Dehydrierens der Schlammmasse einwirkt.
7. Einsatz der Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallvorrichtung mittels eines plattenförmigen Strahlers nach Anspruch 1, der in Kontakt mit der Schlammmasse strahlt, auf die Schlammmasse einwirkt.
8. Einsatz der Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter ein textiler Filter oder ein keramischer Filter ist.
9. Einsatz der Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter ein sich drehender Scheibenfilter oder ein Bandfilter ist.