DE7133593U

DE7133593U - Zentrifuge

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Publication number: DE7133593U
Application number: DE19717133593U
Authority: DE
Original assignee: Damon Corp
Current assignee: Damon Corp
Priority date: 1971-04-09
Filing date: 1971-09-02
Publication date: 1972-03-23
Also published as: GB1341075A; US3747843A; JPS5620069B1; DE2144070B2; FR2123308A1; DE2144070A1; FR2123308B1

Description

⁽⁵⁾ 2 ^ Nov. 1971

Damon Corporation, Needham (Massachusetts), V.St.A.

Zentrifuge

Die Neuerung bezieht sich auf die Zentrifugalabscheidung in kontinuierlichem Strom (Strömung), insbesondere auf eine Zentrifuge zur Entnahme einer Probengradierung aus kontinuierlichem Strom.

Bei kontinuierlich arbeitenden Zentrifugen wird eine zu trennende Probe kontinuierlich in eine umlaufende Zentrifuge und in eine Gradierflüssigkeitszone gepumpt. Die Grädierfj.üssigkeit5Zöne ist so ausgebildet, da.£ man die Oradierf lüssigkeit-sdichte_; welche mit wachsendem radialem Abstand von der Rotorachse zunimmt, einstellen kann, um darin Probenschichten abscheiden zu können. Durch Regelung der Gradierflüssigkeitsdichte in Anpassung an die Dichte der flüssigen Probe kann man die Probentrennung an jeder beliebigen gewünschten radialen Stelle bewirken. Im allgemeinen wird die Radialstellung so gewählt, daß die Probenentnahme möglichst bequem ist.

Während die Zentrifuge umläuft, verbleibt die Gradierflüssigkeit während der Aufbereitung der Probe unveränderlich in der radial äußeren Zone. Der Dichte-Gradient der

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gt und dors Rotor befindliche radiale Zone ge- \

punpt und zirkuliert entv;ader um einen Teil oder un den gs- i

sagten F.otorusfcing. Die CradierflUssigkeit bewirkt, da3 Teil- i

eher.j, di~ sich aus der Probenflüasigkeit absetzen, ohne weite- |

re Rid:' -.Ibewogu::^ in den Radialbereioh, in welchen: ihre <

Dichte gleich Jor der Gradierflüssiskeit ist, festgehalten _;

verden. ;

Die Bewegung ^von Teilchen größerer oder kleinerer Dich- ?

te 1st entsprechend verschieden. Daher trennen sich in der ί

Gradierflüssigkeit Tei_ohen radial voneinander als einzelne 1

Schichten verschiedener Diöhte, 'welche nach Beendigung des |

'³rcbcnzu?lus^<IiOC' ι-·ϊ>"ό^Λ Hör· Pnt-.nr· nnf>h nmT Huf t.. aburefllhrt werden korken. Selbst ia Fall, daß sich die Teilchen in der Gradierflünsigkeit nicht fein verteilen lassen, wird durch Reduzieren ihrer von der Strösiungsperiode abhängenden radialen Strösungög'jschvindigkeit ihr Auftreffen auf den äu2eren Rand der Rotorkoimer verhindert, selbst wenn, keine wirksame Reinigung erreicht wird.

Verschiedene zonenförmige Rotoren besitzen getrennte Sektoren, durch die in einzelne Ströme geteilte Proben g2~ trennt fließen. Derartige Sektoren sind relativ grcSvoliünlg da Jeder Sektor ca. 25£ der Kapazität des Rotors einnimmt» Weiterhin ist ein zonenförmiger Rotor mit einem Teilchen-SiTiEelsel-ctor verfügbar, welcher sich über annähernd JSO erstreckt und eine Bewegung der Probe uni den gleichen Eetrag im Rotor s'lSSt, Diese Zentrifuge wird bevorzugt, da

mit ihr eine wirksamere Probenabscheiaung vorgenommen werden kann.

Bei den bekannten Zentrifugen mit kontinuierlicher i, zonenförraiger Strömung liegen die Hauptprobleme bei eier

Gewinnung dsr Probe. Die zu trennende Probe wird eingeleitet und die gewonnene Probe wird in der Nähe der Rotorachse abgezogen, wobei eine zweckmäßige Abdichtung zur Verhinderung einer Vermischung beider Bestandteile wirksam sein muß. Diese Dichtungsanordnungen haben sich jedoch aufgrund der beim Betrieb der Zentrifuge auftretenden Kräfte als unzuverlässig erwiesen und zu unerwünschter Vermischung der eingeleiteten und abgezogenen Ströme geführt.

In bekannten Systemen wird, wenn eine Proben- oder eine Gradierflüssigkeit in den umlaufenden Rotor eingeleitet wird, entweder während der Probenscheidung oder während der Probenentnahme eine Flüssigkeit im Rotor verdrängt und daraus entfernt, wobei die Flüssigkeit mit sine= überdruok eingeleitet werden muß, unabhängig davon, ob diese Einleitung radial ir.aerha.lb oder außerhalb von der zu entfernenden Flüssigkeit erfolgt. Diese vergrößerten Flüssigkeitsdrücke wirken sich als zusätzliche Belastungen auf die Dichtungen zwischen den Flüssigkeitsströmungen aus, so daß es außerordentlich wichtig ist, die Dichtungsflächen genau eben, d.h. im Bereich von 50 bis 100 ft, zu bearbeiten. Derartige Bearbeitungstoleranzen sind schwierig einzuhalten, so daß die bekannten Systeme vom Standpunkt ihrer hohen Herstellungskosten ebenso wie von dem der Betriebssicherheit unzweckmäßig sind.

Es ist daher Aufgabe der Neuerung, eine Zentrifuge zur Zentrifugalabscheidung mit kontinuier-

licher Strömung 2u schaffen, bei welcher eine Undichtheit zwischen den Flüssigkeitsströmen nicht mehr möglich ist; insbesondere eine einfache und billige Dichtungsanordnung, welche die Rückgewinnung einer Flüssigkeit aus einer umlaufenden Zentrifuge gestattet, ohne daß extrem Bcarbeiturigstoler^n^fn eingehalten werden müssen.

Neuerungsgemäß ist ein Zentrifugenrotor mit zwei Ringnuten in seiner oberen Stirnfläche versehen, welche nebeneinander und radial voneinander getrennt angeordnet sind. Erste und zweite, durch den Rotor führende Kanäle verbinden die Nuten entweder mit einer Probenzone oder einer Gradierf J.üssigkeitszone, welche sich zwischen der Umfangsfläche des Rotors und dem Gehäuse befinden. Die ersten Kanäle haben eine Auslaßöffnung, weiche radial auswärts von den Auslassen der zweiten Kanäle liegen. Ein dritter Kanal besitzt in der Probenzone eine Einlaßöffnung und in der Bodenfläche des Rotors eine Auslassöffnung zum Entfernen der- verbrauchten Probe. Ein vierter Kanal verbindet die Probenzone mit einer Auslaflleitung an der Rotorachse, welche mit einer Vorrichtung zur Verringerung des Druckes unter den Atmosphärendruck verbunden sein kann. Der vierte Kanal weist eine aus einem drehbaren und einem drehfesten Teil bestehende Dichtung auf, welche das Entfernen der Probe auf dem umlaufenden Rotor zuläßt. Der verwendete Unterdruck ist definiert durch die Gleichung

r² . 170,5,

worin d (g/cnr ) die Dichte des zurückgewonnenen Fluids, N (U/min) die Drehzahl des Rotors, r (cm) der radiale Abstand der Probenentnahmeöffnung, B eine Proportionalitätskonstante von 2,84l ° 10~^ und die Zahl 178,5 ein sich aus der Dimensionsumrechnung ergebender Paktor ist, der wegzulassen ist,, wenn g durch Ib. und cm durch inch ersetzt sind.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Neuerung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Zentrifugenrotor;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der Vorrichtung zur Entfernung der abgetrennten Probe;

Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie 3 in Fig. 1;

Fig. 4 einen weiteren Teixschnitt längs der Linie 4 in Fig. Ij

Fig. 5 einen weiteren Teilschnitt längs der Linie 5 in Flg. 1;

Fig. 6 einen Teilschnitt längs der Linie 6 in Fig. 1; Fig. 7 einen Teilschnitt längs der Linie 7 in Fig, I.

Die in den Fig. 1 und 3-7 dargestellte Zentrifuge 1 besitzt ein Rotorgehäuse 2 und einen Rotorkern ~5 von stumpfkonischer Gestalt. Das Rotorgehäuse 2 weist eine untere axiale Ausnehmung 8 zur Aufnahme eines nicht gezeigten Antriebsmotors sowie eine obere axiale Ausnehmung 9 zur Aufnahme eines abgedichteten Rohrleitungssystems für die Entnahme der Proben auf, welches bei der Erläuterung der Flg. näher beschrieben wird. Der Rotor 3 ist mit einer Anzahl von Kanälen zum Einleiten und Abführen einer Gradierflüssigkeit

einer Probenflüssigkeit ία kontinuierlichen Zyklus versehen, -wobei sich die Probenflüssigkeit über ^50° um den Rctorkern 5 bewegt. Die großen Pfeile zeigen die Richtung und Sahn der Probenstrcmung an.

Das Einleiten der Gradierflüssigkeit und der Prober.-fiüssigkeit geschieht wie folgt: Bei umlaufender. F.otcr I wird die Gradierflüssigkeit in eine Ringnut 10 Uurch Heranführen einer Rohröffnuns an oder in die Hut 10 eingeleitet. Die Gr&dierflüssigkeit strömt aus der Nut 10 durch eine Anzahl von Kanälen 11, welche an den Enden von Rippen 12a, 12b, i2c und 2? enden, die wiederum nahe am Gehäuse 2 angeordnet sind. Das Einleiten der Gradierflüssigkeit in die Kut 10 u:.d in die Kanäle 11 wird solange fortgesetzt, bis sich eine ger/üger.d gro3e Gradierfliissigkeitszone IJA ausgebildet hat. Die C-radierfiüssigkeitszone lj5A erstreckt sich in allgemeinen von der inneren Fläche des Kotorgehauses 2 bis zum radial auliersten Punkt dos Rotorkerns 3· Nach Ausbildung der Gracierflüssigkeitszone 1^A wird die su trennende Probenflüssigkeit in eine Ringnut Ip geleitet, welche radial innerhalb der Nut 10 liegt und mit dem Probenzuflußkanal 16 verbunden i3t, welcher einen radial innerhalb der Gradierflüssigkeitszcne 13A liegenden Ausla2 17 besitzt. Die Probenflüssigkeit wird konstant zur Nut 15 '^d in den Kanal 16 geleitet, so G3.ß sich an der Innenseite des unilaufenäen Rotors 1 eine Probenriüssigkeltszone l8 ausbildet, welche sich in Segen-Uhrzeigersinn x:a im wesentlichen 36O un den Rotor 1 so v;eit bewegt, bi3 der Ausflußkz^nal 19 und der Auslaß 20 erreicht ist, durch welchen die verbrauchte ProbenflUssigkeit tV-s den Rotor 1 entfernt wird.

V'iihrend cio Probenflüssigkeitszone l8 rund um den Rotor wandert; bovregt sich die Gradierflüssigkeitszona 13A bei

I umlaufenden Rotor gegenüber diesen nicht. Sin Yorbeiströgen

if ce? Probe um die Kippe 22 wird durch eine Hingscheibe 23

L; und eins Bodenplatte 24 verhindert, Kelche a.^ Rotor 2 be

festigt sind und ein Vorbeiströnien der Probe über oder unter der Rippe 22 verhindern. Die Platten 23 und 24 erstrecken sich 'd'oer den Umfang des Rotors 2₃ wobei in der platte 24 eine öffnung sun Abziehen der restlichen oder verbrauchten Probenfiüssigkeit (Fig. 6) vorgesehen ist. Die Prcbenfiüssigkeitszone lS durchströmt die öffnung 21 der Rippen 12, sie

%. überströmt jedoch nicht die Rippe 22, da diese keine öffnung

;i besitzt, durch welche die Probengradierung strömen kennte.

I Demzufolge muß die Probenflüssigkeit durch dsn Ausfiu3-

f kanal IQ und den. Probenauslaß 20 abfließen, Während die

ii Prcbenfltissigkeit die Zone 18 durchströmt, scheiden sich die

1 in ihr enthaltenen Partikel ab und formen eine besondere

% Schicht in der Gradierflüssigkeitszone 13A. Kachdern die ge-

£ xünschte Probenflüssigkeitsmenge dsn Rotor 3 durchströmt

^ ha^, wird die Probenflüssigkeitszufuhr in die Nut 15 unter-

f brochen. Die Zentrifuse 1 läuft weiterhin um-, jedoch ge-.röhn=

ρ lieh cit einer niedrigeren Drehzahl als während der Abschei-

I dung, die jedoch zur Aufrechterhaituns der Teilchenschicht

I, ausreicht.

f Gradierflüssig'-ceit nit einer Dichte, die mindestens

ebenso hoch ist vie die der Gradierflüssigkeit im Rotor während der Probenabscheidung, wird in die Ringnut 10 einge-

ϊ leitet, durch welche sie über die Kanäle 11 in die Gradier-

T fiüssigkeitszone 13A strömt. Die neu eingeleitete ^radier-

flüssigkeit verschiebt aufgrund ihrer höheren Dichte die Grv.dierflüssigkeitszcne radial einwärts. Dabei bevregr sich die Grs-dierfiüssigkeitszons 13A und die ausgeGchieiar.en

: Protsteilchen gegen den Einlad 2p des Prcbennuslni.cjLnals.

Vor der. Einlad der Gradiurflüäsigkcit, r.r.ch der- Prober.ab-

scheidung und während den Sirleitens der neuen Gradierflüssigi:-3it b-findet sich die Dichtungsanordnung nach Fig. 2 in einer Stellung, i.i welcher das Fluid aus des Kan*i 2β übe- άϊχ. ÄuslsJS TJ ir den Einlaß 23 des Probeneozugsrohrs st το- en kc-πη.

Die Dichtungsanordnung nach Fi ~. 2 besteht im KesenTiiichen aus zwei Sektionen, einer rotierenden Dichtung 30 uad einer festen Dichtung 31. Die rotierende Dichtung 30 und die feste Dichtung 31 werden von einer Feder 3? in gegenseitiger Anlage gehalten. Sin rotierendes Dichtungsgehäuse 33 1st in eines Hauptdichtungsgehause 34 in Kugellagern 35 gelagert und wird in und aus dem Rotor 1 Kit Hilfe eines Hebels 36 bewegt, der um einen Bolzen 37 drehbar ist und gegen die Stirnfläche 38 des Dichtungsgehäuses 34 drückt. Der Hebel bewegt sich gegen die Wirkung einer Feder 40. In der Stellung zur Prcfcenentnahae greift das durch die Rotationsdichtung 30 abgedichtete Eauteil 30A in einen Hilfssapfen 44, der wiederum in die obere axiale Ausnehmung 9 eingreift und in dieser durch einen O-Rlng 45 abgedichtet ist. Der 3auteil 3CA ist ebenfalls durch einen O-Ring 46 la Hilfszapfen 44 abgedichtet. Wenn der Rotor 2 umläuft, rotierer, auch der Hilfszapfen 44, das Bauteil 30a, die Dichtung 30, das DichtungsgehSuse 35 im Kugellager 35* während der Dichtungsteil 31» die Feder 32, das Gehäuse 34, die Platte 29, die Feder 4θ und der Hebel 36 nicht mitdrehen. Das Kauptdichtungsgehäuse 34 ist mit einem nicht dargestellten GehSuse der Zentrifuge über eine Diehtungsplatce 42 und eine an der Platte befestigte Sicherheitsscheibe «3 befestigt. Die Platte 42 ist mit öffnungen 1OA und 15A versehen, welche der Aufnahme der Kinfüllrohre dienen, die sich eis in dis Nuten 10 und 15 erstrecken können.

D.13 Abziehen der Probe erfolgt nit Hilfe eir.cr ?ur:.p- 50, die den Druck in einem 5^::rrolrehMl"er 51, irr. Rohr £$ ur.u i- >:>nal 2o boi offenem Ventil 52 und ^cr.chlos.^cr.r-r. Ventilen 53 '^-- 5¹+ reduziert und dadurch einen jr.raduylic-fi Abnug der GraciorflV33igkeit und dor in ihr enthaltenen Prcbenschicht erreicht, während Tra^flücsigkeit, wie oben beschrieben, in den Krjjal 11 eingeführt wird. DIo Proben ent nahes erfolgt bei sit herabgesetzten Drehzahlen - üblich sind ca. 1000 bis 2C00 U/mln - umlaufendem Rotor 2, bei denen die abgesonderte Probenschicht in der GradierflÜ3ci£l:elt während des Abzugs erhalten bleibt. Die Probenschicht wird danach abgezogen, Kobel der Abzug der Schicht geringste: Dichte zuerst erfolgt. Nachdem der gewünschte Probonteil im Sar.-sibehälter 51 gesa.rjT.elt ist, vrerden das Ventil 52 geschlossen und die Ventile 53 und 5²^ geöffnet, so άε.Β die Probe über die Leitung 55 abgeleitet werden kann.

Der Auslaß für dieses verbrauchte Probenrcaterial befindet sich radial auswärts von der radial äußersten Nut, um den gev.-ünschten Flüssigkeitsstrom zu erhalten. Es ist von Vorteil, wenn die zur Aufnahme der Gradierflüssigkeit während der Probenentnahme vorgesehene Nut radial außerhalb derjenigen Nut, welche die Probe aufnehmen soll, angeordnet ist, dajalt die gavrllnschte Flüssigkeitsströmung aufrechterhalten wird. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenr;. die Nuten schrSg angeordnet oder derart ausgebildet sind, daß ihr unterer Teil sich weiter radial auswärts erstreckt als der obere Teil, us daduroh das überströmen aus dsn Nuten auf die Stirnfläche des Rotors zu reduzieren. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn sich der Auslaß für den Gradierflüssigkeitskanal. bis zur inneren Fläche des Gehäuses erstreckt, damit die Entwicklung der Gradierflüssigkeitszone sowie die Entfernung der Probe erleichtert wird. In dieser Hinsicht braucht der Gradierflüssigkeitskanal sich nicht unterhalb der öffnung 21 in Rippen 12a, 12b und 12o zu erstrecken. Ein Rohr kann in

den öffnungen 21 vorgesehen sein, um die Gradierfiüssigkeitskanäle im Rotorkörper mit dem radial äußersten Teil der Rippen zu verbinden.

Während bisher ein Ausführungsbeispiel der Neuerung beschrieben viurde, bei Vielehen! die Probe einen Rotor um 360⁰ umwandert und vier Probenkanäle und vier Gradierflüssigkeits-Einlaßkanäle vorgesehen sind, ist es selbstverständlich, daß zum Erreichen der gleichen Ergebnisse die Geräte verschiedenen Abwandlungen unterworfen sein können. Durch Verschließen der öffnungen 21 in den Rippen 12a, 12b und 12c und durch weitere Probeneinlaßkanäle und Auslässe für jedes Rotorsegment kann der Rotor in Segmente aufgeteilt werden, so daß die Probe nur um einen Bereich von 90° durch den Rotor wandert. Eine derartige Ausführung ist jedoch nicht vorteilhaft, da die Probentrennung bei gegebener Probenströmuiigsgeschwindigkeit weniger vollkommen ist. Ferner können mehr oder weniger Probenauslässe und GradierfIüsöigkelt;s—Eirilä31cä.näl6 vorgesehen sein, uiR eins gleichwertige Probentrennung und -rückgewinnung zu erhalten. Ferner können auch verschiedene Dichtungsanordnungen vorgesehen sein, wenn sie nur an einem vorgesehenen Kanal für einen Flüssigkeitsstrom wirksam sind und eine ausreichende Abdichtung zwischen aneinanderliegenden rotierenden und feststehenden Sektionen aufrechterhalten.

Claims

Schutzansprüche

1. Zentrifuge mit einem Kontinuierlich beaufschlagten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotorkern in seiner Deckfläche Ringnuten (10, 15) zum Einleiten zweier getrennter Flüssigkeitsstiöme aufweist, von denen der eine Strom in eine Probenzone (18) und der andere Strom in eine Gradierzone (l^A) gerichtet ist, daß ein Auslaß an der Bodenfläche des Rotors zum Austreiben der verbrauchten Probe aus der Probenzone vorgesehen ist, und daß ein Kanal (28) auf der Rctorachse liegt, durch welchen die abgeschiedene Probe bei umlaufendem Rotor (3) abgezogen wird.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (12a, 12b, 12c, 22) zum Leiten der Probenströmung durch die Probenzone (18) um annähernd 3όθ° um den Rotorkern.

5. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkern in einem Rotorgehäu,se (2) im Abstand von diesem vorgesehen ist, um die Gradierzone (15A) am Rotorgehäuse und die Probenzone (18) zwischen dem Rotor und der Gradierzone auszubilden, daß die radial innere Ringnut (15) über mindestens einen Kanal (16) mit der Probenzone (l8) sowie die radial äußere Ringnut (10) über mindestens einen Kanal (11) mit der Gradierzone verbunden ist, daß ein Abflußkanal im Rotorkern die Probenzone und die Bodenfläche des Rotorkerns verbindet und einen Auslaß radial zwischen der radial äußersten Ringnut (10) und der Umfangsflache des Rotors hat, und daß mindestens ein Probenabzugskanal im Rotor die Probenzone und einen Kanal (28) auf der Achse des Rotors (j5) verbindet, und wobei die abgetrennte Probe über den Kanal auf der Achse des Rotorr ent-

feinoar isc.

4. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine untere axiale Ausnehmung (8) für den Antrieb und eins obere axiale Ausnehmung (9) ?#? eine gegenüber dem Rotor abgedichtete Abzugsanordnung für die abgeschieder.a Probe aufweist.

5. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorkern vier winkelmäßig g]eich verteilte Kanäle zum Einleiten der Gradierflüssigkeit in die Gradierzone (13A) und vier 'rlnkelmäßig gleich verteilte frobenabzugskanäle vorgesehen sind.

6. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder J5> dadurch gekennzeichnet, daß sloh eine Anzahl von ersten Rippen (12a, 12b, 12c) vom Rotorkern in die Gradierzone (13A) erstreckt, welche jeweils eine öffnung (21) aufweisen, durch die Probe strömen kann, und eine feste zweite Rippe (22) vom Rotorkern in die Gradierzone (13A) ragt, daß der Probeneinlaß und der Probenausiaß unmittelbar neben den vertikalen Flächen der zweiten Rippe (22) vorgesehen ist und sich je eine Platte (23, 24) an der Boden- und an der Deckfläche der zweiten Rippe (22) zur Verhinderung eines überströmens der zweiten Rippe (22) befindet.

?. Zentrifuge nach Anspruch o, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Ringnut (10) mit der Gradierzone (13A) verbindenden Kanäle (11) durch die zweite Rippe (22) und durch jede öffnung (21) in den ersten Rippen (12a, 12b, 12c) verlaufen.