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Verfahren und Vorrichtung zum Aufbereiten von Mineralien, insbesondere
von Steinkohle, in Schwerflüssigkeit Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen
zum Aufbereiten von Mineralien, insbesondere von Steinkohle, in Schwerflüssigkeit
mit Hilfe der Zentrifugalkraft.
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Die Anwendung der Zentrifugalkraft an Stelle der Erdschwere bei der
Schwerflüssigkeitsaufbereitung ist bekannt. So hat man z. B. eine Suspension des
Aufbereitungsgutes in .Schwerflüssigkeit tangential in einen Zyklon eingeführt,
um die durch die schnelle Wirbelströmung der Flüssigkeit im Zyklon hervorgerufenen
Zentrifugalkräfte zum Trennen der Gutsbestandteile nach dem spezifischen Gewicht
auszunutzen. Dabei strömt ein Teil der Schwerflüssi.gkeitmit den nach außen an dieWandung
des Zyklons geschleuderten schweren Bestandteilen in heftiger Wirbelbewegung abwärts,
um aus der Austrittsöffnung an der Zyklonspitze auszutreten, während der Rest der
Flüssigkeit im Bereiche der Zyklonachse in heftiger Wirbelbewegung aufwärts strömt,
um die nach der Zyklonmitte hin verdrängten, spezifisch leichten Gutsbestandteile
durch die zentrale Austrittsöffnung am oberen, breiten Ende des Zyklons abzuführen.
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Ähnlich liegen die Verhältnisse bei den bekannten, mit Schwerflüssigkeit
betriebenen Wirbelkammern, die sich vom Zyklon nur durch die zylindrische
Kammerform
und die tangential am Kammerum Cr angeordnete Austrittsöffnung für die schwere Gutsfraktion
unterscheiden. Dem Zyklon und der Wirbelkammer ist jedoch gemeinsam, daß neben den
durch die Drehbewegung der Flüssigkeit erzeugten Zentrifugalkräften starke Wirbelströmungen
bestehen, die eine unerwünschte Klässierwirkung verursachen, so daß besonders bei
Aufgabegut .mit weiten Kornspannen erhebliche Fehlau.sträge nicht zu vermeiden sind.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, eine Suspension von Aufbereitungsgut
in Schwerflüssigkeit einer Düsenschleuder zuzuführen, deren Schleuderraum am Umfang
Austrittsdüsen für die ausgeschleuderten schweren Bestandteile und in der Nähe der
Drehachse Düsen zum Abführen der nach der Drehmitte hin verdrängten leichten Bestandteile
aufweist. Hierbei wird jedoch auch die Schwerflüssigkeit in erheblicher Menge aus
den Düsen herausgeschleudert, so daß eine sehr starke Schwerflüssigkeitsströmung
im Schleuderraum auftritt, die einen einwandfreien Trennvorgang verhindert. Diese
störende Strömung kann nur durch starkes Drosseln der Düsenquerschnitte in tragbaren
Grenzen gehalten werden. Enge Düsenquerschnitte lassen jedoch nur geringe Durchsatzleistungen
zu, verursachen dauernd Betriebsstörungen durch Verstopfung und erlauben da§s Beschicken
der Schleeder nur mit feinstkörnigem Aufgabegut, so daß auch ihr Anwendungsbereich
stark beschränkt ist.
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Gemäß der Erfindung wird das Aufgabegut mit einem Tragflüssigkeitsstrom,
der nicht aus Schwerflüssigkeit zu bestehen braucht, in Richtung der Drehachse durch
ein Schwerflüssigkeitsdrehfeld geführt, das innerhalb eines mit Schwerflüssigkeit
gefüllten, geschlossenen oder unter dem vom Drehfeld erzeugten Staudruck gehaltenen
Behälters aufrechterhalten wird und nur am Umfang mit dem Behälterinnern in Verbindung
steht. Ein solches Drehfeld kann vollkommen frei von Strömungen gehalten werden.
Es zwingt dem zugeführten Aufgabegut seine Drehbewegung auf und läßt .ausschließlich
unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft nur die Gutsbestandteile nach außen in den
Behälter austreten, deren spezifisches Gewicht größer ist als das der Schwerflüssigkeit
im Drehfeld. Es hindert jedoch die spezifisch leichteren Bestandteile hindurchzutreten
und hält sie so im Tragflüssigkeitsstrom zurück, der sie wieder aus dem Drehfeld
herausführt.
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Das Drehfeld kann in beliebiger Weise erzeugt werden. Gemäß der Erfindung
wird es zwischen mindestens zwei mit axialem Abstand voneinander in einem geschlossenen
Schwerflüssigkeitsbehälter umlaufenden Treibscheiben erzeugt, deren das Drehfeld
bildender Zwischenraum nur am Umfang mit dem Behälterraum in offener Verbindung
steht und mittig zur Drehachse an einer Seite einen Zufluß und an der anderen Seite
einen Abfluß für den Transportflüssigkeitsstrom aufweist. Zwischen dem Zu- und Abfluß
für den Transportflüssigkeitsstrom kann eine in den Zwischenraum der Treibscheiben
hineinragende Umlenkscheibe vorgesehen sein, welche den Tragflüssigkeitsstro.m zwingt,
-zunächst radial nach außen in einen Bereich höherer Zentrifugalwirkung des Drehfeldes
vorzustoßen, ehe er zur Abflußöffnung zurückgeführt wird. Diese neue Vorrichtung
bedingt ein scheiben- oder ringförmiges Drehfeld, in welchem die Gutsbestandteile
längs ihres Weges radial nach außen durch erhebliche Raumerweiterung aufgelockert
werden und infolge ihrer dabei gewonnenen großen gegenseitigen Abstände unbehindert
den auf sie wirkenden Zentrifugalkräften des Drehfeldes folgen können. Hierdurch
wird eine bisher nicht erreichte Trennschärfe des Aufbereitungsvorganges bei großer
Durchsatzleistung erzielt.
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Die Wichte im Drehfeld kann erfindungsgemäß durch mit dem Aufgabegut
eingeführte Schwerflüssigkeit oder durch einen besonderen Schwerflüssigkeitsstrom
aufrechterhalten werden, der so in den Raum zwischen den Treibscheiben eingeführt
wird, daß er den Gutsstrom im Drehfeld nach außen umhüllt. In letzterem Falle kann
der Transportfliissigkeitsstrom für das Aufgabegut aus Wasser bestehen: In der Zeichnung
sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Abb. i
zeigt einen Zentrifugal-Schwerflüssigkeitsscheider im Längsschnitt; Abb. 2 zeigt
einen Dreigutscheider; Abb.3 zeigt ein anderes Treibscheibenrad für den Scheider
im Schnitt; Abb. 4 zeigt ein weiteres Treibscheibenrad, welches den Aufgabegutsstrom
mehrfach nacheinander in den Bereich des Drehfeldes, führt (Repetition).
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In einem geschlossenen, mit Schwerflüssigkeit gefüllten Behälter i
läuft ein Laufrad 2 um. Das Laufrad besteht im wesentlichen aus zwei Treibscheiben
3, q., die mit axialem Abstand voneinander angeordnet sind.und einen Zwischenraum
5 einschließen, der nur am Umfang in offener Verbindung mit dem Innern des Behälters
i steht. Zwischen den Treibscheiben ist eine Umlenkscheibe 6 kleineren Durchmessers
angeordnet, die den Zwischenraum im Bereiche der Drehachse in einen Zuflußraum 7
und einen Abflußraum 8 unterteilt. Das Laufrad 2 weist eine hohle Antriebswelle
9 auf, die durch eine Stopfbuchse ro druckdicht aus dem Behälter i herausgeführt
ist und die Antriebsscheibe ii trägt. Die Hohlwelle 9 ist mit dem Abflußraum 8 des
Laufrades 2 verbunden und mündet oben in einer ortsfesten Fangkammer i2, die einen
Abflußstutzen 13 aufweist. Zentral in der Hohlwelle 9 ist ein vorzugsweise ortsfestes
Zuflußröhr 1q. untergebracht, das in den Zuflußraum 7 des Laufrades mündet und mittels
einer schlanken Erweiterung 15 .mit geringem Spiel dichtend in die Bohrung der Umlenkscheibe
6 eingreift.
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Der Behälter i verjüngt sich kegelförmig nach unten und weist an der
Kegelspitze eine Abflußöffnung auf, deren Querschnitt mittels eines verstellbaren
Drosselventils 16 einstellbar ist.
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Arbeitsweise. Nachdem der Behälter i und das Laufrad 2 einschließlich
seiner Hohlwelle bei geschlossenem
Ventil 16 über das Zuflußrohr
1q. mit Schwerflüssigkeit gefüllt ist, wird das Laufrad in schnelle Umdrehungen
versetzt. Der geschlossene Behälter verhindert dabei, daß sich das Laufrad durch
Pumpwirkung entleert. Die Treibscheiben 3, 4. und auch die Umlenkscheibe 6 versetzen
den Flüssigkeitsinhalt des Laufrades somit lediglich in schnelle Umdrehungen, so
daß innerhalb des Laufrades ein statisches (strömungsfreies) Schwerflüssigkeitsdrehfeld
entsteht, das am Laufradumfang in offener Verbindung mit dem Innern des Behälters
steht. Nunmehr wird das Aufgabegut, in einem Schwerflüssigkeitsstrom suspendiert,
in freiem Gefälle oder unter Druck in das Zudührrohr 1,4 geleitet. Es gelangt zunächst
in den Zuflußraum 7, in dem es die Drehbewegung des Laufrades i annimmt und radial
nach außen strömt. Infolge der starken Erweiterung des Zuflußrau.mes vermindert
sich die Strömungsgeschwindigkeit des Gutsstromes, während gleichzeitig eine starke
Auflockerung der Gutsbestandteile im Transportflüssigkeitsstrom eintritt. Die nunmehr
unbehindert im Flüssigkeitsstrom treibenden Gutsbestandteile unterliegen auf ihrem
Wege nach außen stark zunehmenden Zentrifugalkräften, welche die schweren Teile
des Gutes radial nach außen erheblich stärker beschleunigen als die leichten. Am
Ende der Umlenkscheibe 6 kehrt der Flüssigkeitsstrom, der hier nur noch eine geringe
Strömungsgeschwindigkeit hat, um und strömt durch den Abflußraum 8 radial nach innen
in die Hohlwelle 9 zurück, denn der Strom vermag das ringförmige statische Drehfeld
a außerhalb der Umlenkscheibe 6 nicht zu durchdringen. Er führt alle Gu.tsbestandteile
mit sich, deren spezifisches Gewicht geringer als die Wichte der das Drehfeld a
bildenden Flüssigkeit ist, während die spezifisch schwereren Bestandteile durch
das Drehfeld d hindurch in den Behälter i geschleudert werden, wo sie sich nach
unten absetzen. Der mit den leichten Bestandteilen beladene Flüssigkeitsstrom steigt
in der Hohlwelle 9 aufwärts und tritt oben in die Fangkammer 12 aus, von wo er durch
den Abflugß 13 abgeführt wird.
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Das Laufrad i erzeugt, wie bereits angedeutet, im Behälter i einen
Überdruck, der von seinem Durchmesser, seiner Drehzahl und dem spezifischen Gewicht
der Flüssigkeit im Drehfeld abhängt. Dieser Überdruck kann zum laufenden Austragen
der im Behälter. i abgesetzten schweren Bestandteile herangezogen werden. Bei geöffnetem
Drosselventil 16 werden die Berge von dem austretenden starken Flüssigkeitsstrom
aus dem Behälter i ausgetragen und gegebenenfalls aufwärts auf ein Abtropfsieb 17
bekannter Bauart befördert. Dieses Austragen der Berge bedingt ein radiales Nachströmen
von Flüssigkeit durch das Drehfeld a. Da jedoch der Austrittsquerschnitt am Umfang
des Laufrades beliebig groß bemessen werden kann, bleibt die Strömung im Drehfeld
so klein, daß sie den Trennvorgang nicht beeinträchtigt. Sie führt jedoch das sogenannte
Schwebegut, das sind Partikel des Aufgabegutes, deren Wichte genau gleich der Schwerflüssigkeitswichte
im Drehfeld a ist, laufend in den Behälter i ab und verhindert so Anreicherungen
von Schwebegut im Drehfeld.
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Die durch das Austragen der schweren Bestandteile im Laufrad erzeugte
Radialströmung kann durch Zuführen von Druckflüssigkeit in den Behälter i vollkommen
beherrscht und gegebenenfalls ganz unterbunden werden. Zu diesem Zweck ist die Pumpe
18 vorgesehen, die z. B. die im Entwässerungssieb 17 aufgefangene Schwerflüssigkeit,
gegebenenfalls unter Zusatz frischer Schwerflüssigkeit, in den Behälter i drückt.
Durch Einstellen des Drosselquerschnitts 16 kann der von der Pumpe i8 im Behälter
i erzeugte Staudruck beliebig eingestellt werden. Geschieht die Einstellung so,
daß der von der Pumpe 18 erzeugte Staudruck gleich dem vom Läufer 2 erzeugten und
dabei die Fördermenge der Pumpe gleich der durch die Drossel 16 abfließenden Menge
ist, so herrscht am Austritt des Laufrades 2 Gleichgewicht. Eine Radialströmung
im Laufrad ist dann ausgeschlossen. Durch weiteres Öffnen der Drossel 16 wird im
Drehfeld a eine nach außen gerichtete und durch weiteres Schließen der Drossel eine
nach innen gerichtete Radialströmung erzeugt, die je nach Bedarf das Schwebegut
aus dem Drehfeld in den Behälter i zum Sinkgut oder in den Transportflüssigkeitsstrom
zum Schwimmgut führt. Diese Regelung kann selbstverständlich bei geöffnetem Drosselventil
16 auch durch ein Drosselventil in der Druckleitung der Pumpe 18 durchgeführt werden.
Die Pumpe i8 hält somit eine den Behälter i dwrchsetzende Kreislaufströmung aufrecht.
Gemäß der Erfindung kann dadurch im Behälter i eine andere Wichte als im Laufrad
aufrechterhalten werden, vorzugsweise eine höhere, so daß das mit den schweren Bestandteilen
aus dem Laufrad 2 austretende Schwebe- und Mittelgut aufschwimmt und sich gemäß
Abb. 2 bei entsprechender .Formgebung des Behälters i in dessen oberem Teil anreichert,
von wo aus es durch ein einstellbares Drosselventil i9, ähnlich dem Ventil 16, mit
dem Überdruck im Behälter durch einen Flüssigkeitsstrom gesondert ausgetragen wird.
Vorzugsweise mündet dabei die Druckleitung der Pumpe 18 der Austrittsöffnung am
Laufradumfang gegenüber tangential in Umlaufrichtung des Laufrades in den Behälter
i. Der so zugeführte Druckflüssigkeitsstrom teilt sich vor dem Laufrad in einen
auf- und einen absteigenden Teilstrom, von denen der erste das Schwebegut nach oben
und der zweite das Sinkgut nach unten führt. Das Austragen des Sinkgutes kann gegebenenfalls
durch Druckluftzufuhr in das Steigrohr 2o mittels einer Düse 21 erleichtert werden.
An Stelle der Pumpe 18 kann ein Fallrohr 22 von der im Behälter i erforderlichen
Druckhöhe vorgesehen sein. Die Ventile 16 und 18 können als sogenannte Rubberdüsen
ausgebildet sein, bei denen die Mittelöffnung eines ringförmigen Gummihohlkörpers
durch Druckmittel verengt oder erweitert wird.
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Von wesentlicher Bedeutung für die Trennschärfe ist, daß die Wichte
im Drehfeld a konstant bleibt. Bei Verwendung von instabilen Schwerflüssigkeitstrüben
muß damit gerechnet werden,
daß laufend ein Teil des suspendierten
Beschwerstoffes aus dem Drehfeld herauszentrifugiert wird. Dieser Abgang an Beschwerstoff
muß laufend ersetzt werden.
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Wie bereits ausgeführt, kann die zur Aufrechterhaltung der Wichte
im Drehfeld d erforderliche Schwerflüssigkeit mit dem Aufgabegut in das Laufrad
eingeführt werden. Eine vorteilhaftere Möglichkeit der Schwerflüssigkeitszufuhr
ist in Abb. i dargestellt. Durch das Zufuhrrohr 14 für das Aufgabegut ist zentral
ein Zufuhrrohr 23 für Schwerflüssigkeit geführt, das unten im Laufrad 2 unterhalb
einer Leitscheibe 24 mündet. Die Leitscheibe 24 läßt die Schwerflüssigkeit etwa
gegenüber der Umlenkkante der Umlenkscheibe 6 in das Drehfeld a austreten, so daß
sie, wie in Abb. i durch strichpunktierte Linien dargestellt, den aus dem ZuführraUm
7 kommenden, um die Umlenkscheibe 6 herum strömenden Gutsstrom von außen umhüllt
und gleichzeitig das Drehfeld mit frischer Schwerflüssigkeit speist. Der Gutsstrom
kann dabei als Transportflüssigkeit Wasser aufweisen, das sich infolge seines geringeren
spezifischen Gewichts nicht mit dem umhüllenden Schwerflüssigkeitsstrom vermischt.
Auf diese Weise werden mit dem Transportwasserstrom nur geringe Mengen Beschwerstoff
abgeführt, nämlich nur die Mengen, die beim Eintauchen der leichten Gutsbestandteile
in den umhüllenden Schwerflüssigkeitsstrom an diesen haften. Von dieser geringen
Beschwerstoffmenge wird noch ein großer Teil auf dem Wege durch den Abflußraum 8
ins Drehfeld zurückzentrifugiert. Die getrennte Zufuhr der Schwerflüssigkeit ergibt
somit eine sehr erhebliche Ersparnis an Beschwer-Stoff, wenn man bedenkt, daß bei
Rohkohle das Verhältnis zwischen Reinkohle und Bergen durchschnittlich 4 : i beträgt.
Die wesentlich geringere Schwerflüssigkeitsmenge benötigt zu ihrer Reinigung und
Regenerierung erheblich kleinere Apparate, als bisher für Sinkscheider erforderlich
waren. Hinzu kommt noch, daß die Reinigungsapparate auch wesentlich einfacher werden,
da in dem Drehfeld a, mit seiner die Erdschwere vielfach übersteigenden Zentrifugalkraftwirkung,
-die durch Verunreinigungen verursachte Viskositätssteigerung der Schwerflüssigkeit
den Trennvorgang weit weniger behindert, als das bei den bekannten Sinkscheidern
der Fall ist.
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Das Laufrad 2 erzeugt im Behälter i einen Staudruck, der bei konstanter
Drehzahl von der Wichte der Schwerflüssigkeit im Drehfeld a abhängt. Der Staudruck
steigt mit zunehmender Wichte. Gemäß der Erfindung wird zur Überwachung oder Regelung
der Trennwichte im Drehfeld a diese Druckabhängigkeit ausgenutzt. So kann z. B.
der in den Schwerflüssigkeitszufluß zum Laufrad 2 eingeschaltete Wichteregler durch
einen von den Druckschwankungen im Behälter i betätigten Servomotor gesteuert werden.
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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der Austrittsquerschnitt
am Umfang des Laufrades 2 ohne Beeinträchtigung der Trennwirkung beliebig groß ausgeführt
werden kann. An Stelle der in den Abb. i und 2 dargestellten Scheibenform des Laufrades
2 kann dieses, wie Abb. 3 zeigt, auch walzenförmig sein. Das Laufrad nach Abb. 3
weist wiederum zwei seitliche Treibscheiben 3, 4 und eine dazwischenliegende Umlenkscheibe
6 au£. Um das sichere Mitnehmen der in dem hohen Zwischenraum zwischen den seitlichen
Treibscheiben eingeschlossenen Schwerflüssigkeit zu gewährleisten, sind weitere
Treibscheiben 3a, 3b, 4a, 4b vorgesehen, die in Höhe des Umfanges der Umlenkscheibe
6 Durchbrechungen für den durch Pfeile angedeuteten Transportflüssigkeitsstrom aufweisen.
Die Umlenkscheibe 6 kann jenseits dieser Durchbrechungen bei 6" fortgesetzt sein
und im Bereiche des Drehfeldes a als Treibscheibe wirken. Das Laufrad nach Abb.
3 erlaubt einen wesentlich größeren Durchsatz als das Rad nach den Abb. i und 2.
An Stelle der Treibscheiben 3a, 3b 4a, 4b können auch in Achsrichtung verlaufende
radiale Rippen zwischen den seitlichen Treibscheiben 3 und 4 vorgesehen sein. Das
Drehfeld kann auch durch ein Schaufelrad erzeugt werden, das zwischen zwei. ortsfesten
seitlichen Scheiben umläuft. Die ortsfesten Scheiben grenzen dann das Drehfeld gegen
den Raum des Behälters i ab. Schaufelräder und axiale Rippen verursachen jedoch
leicht Wirbel im Drehfeld, die den Trennvorgang stören können.
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In Abb. 4 ist ein Laufrad dargestellt, das den durch einen Pfeil angedeuteten
Gutsstrom mehrfach in den Bereich des Drehfeldes a und wieder in Achsnähe zurückführt.
Um das zu erreichen, sind zwischen den beiden seitlichen Treibscheiben 3, 4 Umlenkscheiben
6b, 6" 6d angeordnet, die abwechselnd im Bereiche des Drehfeldes
und in Achsnähe Durchbrechungen für den Durchtritt des Gutsstromes aufweisen. Diese
Anordnung erlaubt eine beliebig häufige Wiederholung des Scheidevorganges (Repetition)
in einem Laufrad, was besonders bei feinem, schwer zu trennendem Aufgabegut von
Vorteil sein kann.
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In den in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen weist
das Laufrad eine senkrechte Welle auf. Es ist ohne weiteres möglich, das Laufrad
auch mit waagerechter Welle auszuführen. In diesem Falle kann das Rad beidseitig
gelagert werden, was besonders bei großer Höhe desselben gegenüber der dargestellten
fliegenden Anordnung von großem Vorteil ist. Bei der waagerechten Anordnung werden
beide Achsschenkel hohl ausgeführt, wobei der Transportflüssigkeitsstrom mit dem
Aufgabegut in einen Achsschenkel eintritt und das Laurfrad mit den leichten Bestandteilen
durch den anderen Achsschenkel wieder verläßt.
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Das neue Verfahren kann beim Aufbereiten sehr feinkörniger Mineralien
mit einem Flotationsverfahren kombiniert werden. Hierbei werden die Flotationschemikalien
und -öle bekannter Art und gegebenenfalls Preßluft dem Aufgabegut auf seinem Wege
zum Laufrad i zugemischt, so daß sie im Laufrad wirksam werden und den Trennvorgang
durch Schwerflüssigkeit .unterstützen.
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Die beschriebene Einrichtung ist nicht nur zum Aufbereiten des Aufgabegutes
in Schwerflüssigkeit
geeignet, sondern vermag, wenn ihm an Stelle
von Schwerflüssigkeit Schlammtrüben zugeführt werden, diese mit bestem Erfolg einzudicken.
Das Drehfeld a besteht dann aus Wasser, durch das die Feststoffe der durch das Laufrad
geführten Schlammtrübe hindurchgeschleudert werden, um sich im Behälter i auf einen
beliebigen Grad der Eindickung anzureichern. Das Klarwasser verläßt das Laufrad
durch die Hohlwelle.