EP1432502B1 - Flockungseinrichtung und verfahren zur konditionierung von kolloidalen suspensionen - Google Patents

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EP1432502B1
EP1432502B1 EP02779131A EP02779131A EP1432502B1 EP 1432502 B1 EP1432502 B1 EP 1432502B1 EP 02779131 A EP02779131 A EP 02779131A EP 02779131 A EP02779131 A EP 02779131A EP 1432502 B1 EP1432502 B1 EP 1432502B1
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EP
European Patent Office
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suspension
inner cone
cone
outer shell
flocculation
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02779131A
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English (en)
French (fr)
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EP1432502A1 (de
Inventor
Christian Schröder
Michael Sievers
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Clausthaler Umwelttechnik Institut GmbH CUTEC
Original Assignee
Clausthaler Umwelttechnik Institut GmbH CUTEC
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Publication date
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Publication of EP1432502B1 publication Critical patent/EP1432502B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03D—FLOTATION; DIFFERENTIAL SEDIMENTATION
    • B03D3/00—Differential sedimentation
    • B03D3/06—Flocculation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B01F27/272—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B01F27/272—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces
    • B01F27/2723—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces the surfaces having a conical shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B01F27/272—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces
    • B01F27/2724—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces the relative position of the stator and the rotor, gap in between or gap with the walls being adjustable

Definitions

  • the invention relates to a flocculation device for the conditioning of colloidal Suspensions with a flocculating apparatus containing a suspension inlet, a Suspension outlet and has an inner cone that is centric in a cone-shaped Outside housing is mounted, wherein the inner cone and / or the outer housing rotatable relative to each other and between the inner cone and the outer housing a gap to flow through with suspensions.
  • the inner cone and / or the outer housing is mounted axially displaceable and an actuator is to controlled axial displacement of the inner cone and / or outer housing in Operative connection with the inner cone and / or outer casing.
  • the suspension is conventionally with a flocculant and / or flocculants added and in a Flocculant mechanically processed.
  • the flocculation itself is in a rapid mixer unit carried out so that the flakes arise.
  • the shape of the Flakes take place in a flake apparatus, whereby by shearing forces and Flake erosion the resulting flakes are pelleted and rounded so that the desired property of the flakes, z.
  • B. increase the Dewatering ability or thickening can improve again. Indeed The shearing forces must not be too great, because then the flocs are destroyed again and the specific flake properties can worsen.
  • the admixture of flocculants and / or flocculation aids takes place conventionally with stirred tanks or tubular reactors with Plug flow, such as injection mixers, inline turbo mixers and pumps.
  • DD 289 754 A5 is a conical stirrer with axially displaceable arranged discloses a hollow cone-shaped baffle, which is preceded by a static mixer.
  • U.S. Patent 3,834,541 discloses a device for separating solids Liquids in a suspension with a stirrer and power distribution chokes disclosed. Flocculant is added to the suspension stream via a pump. which is then passed into the flocculation apparatus.
  • GB 1 520 490 A describes a mixer for continuous mixing of Solids with solids, fluid mixtures and / or with gases.
  • US Patent 5,902,042 is a mixer in the form of a bevel stirrer with axial slidable cone described in which the suspension with a pump off a container is pumped into the conical stirrer.
  • the cone stirrer has an axial sliding cone and three inlet openings for different liquids on the head side. The liquids are mixed in the conical stirrer, the optimal operating range a laminar or laminar-cellular Flow characteristic requires.
  • the object of the invention is therefore to provide a flocculation apparatus, the can be variably adapted to the ambient conditions.
  • the problem is with the generic flocculation apparatus in the form of a Kegelrhakers solved in that immediately before the suspension inlet Mixer is arranged to produce a highly turbulent suspension flow.
  • the mixer is preferably in a device with the flocculation apparatus integrated.
  • reaction volume in the flocculation apparatus is variable and can be connected to the Environmental conditions are adjusted. Due to the axial displacement of the Inner cone and / or outer casing may be the gap width of the flow space be easily adjusted between inner cone and outer housing. This can both the residence time kept constant at different flow rates be adapted as well as the flow regime to changing mass flow become.
  • the suspension inlet is preferably in the region of the cone base of réellekegels and outer housing and the suspension outlet in the area of Cone tip of the inner cone and outer casing.
  • the runs Suspension stream preferably from the cone base to the cone apex. It has found that in such a flow direction flocculation results reproducible and optimal.
  • the surface of the inner cone and / or the inner surface of the outer housing should be profiled for example by milled longitudinal grooves. This will be the Flow implemented faster.
  • the axis of rotation of the inner cone is preferably approximately perpendicular, wherein the suspension inlet is located above the suspension outlet. In this way, a natural suspension flow from top to bottom enforced.
  • the angle of inclination of the inner cone should be relatively low and should be about 2 to 30 degrees.
  • conventional conical stirrer have a tilt angle of 35 degrees and Cylinder stirrer at an angle of 0 degrees. It was recognized that with a low tilt angle optimal reproducible and controllable Flocculation results can be achieved.
  • the speed of the inner cone and / or outer housing in Be regulated depending on a flake size distribution.
  • FIG. 1 shows the flocculation apparatus 1 according to the invention in one Detect section view.
  • the flocculation apparatus 1 consists essentially of a conical outer housing 2 and an inner cone 3, the centric in the outer housing 2 is arranged.
  • the inner cone 3 is rotatable on one mounted driven shaft 4.
  • a suspension stream is passed through a suspension inlet 5 in the region of Conical base of the inner cone 3 introduced into the flocculation apparatus 1.
  • the Suspension then flows together with the flocculant and / or Flocculation aids the gap between the inner cone 3 and the Outer housing 2 in the axial direction from the cone base to the apex and flows through a suspension outlet 6 in the region of the cone tip.
  • the inclination angle of the inner cone 3 and according to the inclination angle of the outer housing 2 is relatively small and is in the range of about 2 to 30 Degree. Since the radii of the inner cone 3 for the flows through the suspensions change during the flow, the resulting centrifugal forces are on Reason for the changing peripheral speed along the driven Wave 4 not constant. In contrast to Zylinderragitern are the Flow conditions not over the length of the circular or conical gap uniformly.
  • the outer housing 2 is considerably longer than the inner cone 3, so that the Inner cone 3 is axially displaceable in a wide range.
  • the Flocculator 1 but also be constructed so that the outer housing. 2 axially relative to the inner cone 3 can be moved. It is also conceivable that the outer housing 2 is rotatable.
  • the axial displacement of the inner cone 3 relative to the outer housing 2 can, for example, with a Spindelhubantrieb be realized as an actuator, which together with the shaft 4 acts.
  • the motor shaft of a drive motor not shown, is fixed to a Guiding sleeve connected to a keyway in operative connection with the shaft 4, so that the shaft 4 is axially opposite the motor shaft can be moved.
  • the shaft 4 is preferably in one Angular contact ball bearings 7 mounted, wherein the bearing housing preferably square is to guide this in the groove of a guide rail. This is ensures that after coupling by the angular contact ball bearing 7 no Rotation occurs more, which could act on the Spindelhubantrieb.
  • FIG. 2 shows a rapid mixer 8 with a suspension inlet 9 and a suspension outlet 10.
  • the suspension outlet 10 is immediately before the suspension inlet 5 of the flocculation apparatus 1 connected.
  • the rapid mixer 8 has a flowed through from the outside to the inside main rotor 11, with salaried, blade-shaped blades which is the suspension entrain in the conveying direction.
  • the flocculant and / or flocculant is distributed over four circumferentially spaced nozzle 12 the rapid mixer. 8 fed.
  • the medium After mixing in the main rotor 11, the medium enters an intermediate stator 13, the jacket of which reduces Wear is extended beyond the area of the main rotor 11.
  • auxiliary rotor 14th In the flow direction behind the stator 13 is an auxiliary rotor 14th intended. This arrangement of series-connected main rotor 11, Stator 13 and auxiliary rotor 14 ensures a homogeneous mixing of the Medium within a certain residence time.
  • the rotor speed should be be infinitely adjustable up to about 2800 N / min.
  • the flocculation is discretized with the flocculation apparatus.
  • the speed and the Reaction volume of the apparatus changeable. This allows the flakes in be subjected to a wide range of adapted shear force regime.
  • the setting of the rapid mixer 8 and the flocculation apparatus 1 takes place thus depending on the volume flow and in particular the Flake size and the flake size distribution.
  • the flake size and the Flock size distribution has namely z. B. a decisive influence on the Drainage and thickening ability of suspensions such.
  • Small structures, such as unflocked Primary particles, as well as smallest fractals in the flocculant suspension reduce z. B. the drainage result or the sedimentation behavior. Likewise work Structure-unstable flakes are negative.
  • the rapid mixer 8 is now controlled so that the flocculant and / or flocculants are homogeneous and complete with the suspension is mixed. It requires so much energy in the suspension flocculant and / or flocculant mixture flow to each suspension particle has the opportunity to deal with flocculants and / or flocculants connect. On the other hand, only so much energy should be used that the flakes do not return during or immediately after their formation be destroyed. For this purpose, the speed is in accordance with known and scientifically diversified manner.
  • the rotational speed and the gap width between Inner cone 3 and outer housing 2 varies.
  • the gap width change is both a change in volume and thus a change in the axial characteristics such as residence time, axial velocity, axial Reynolds number and axial Camp number, as well as a change in the radii ratios and thus a change the Taylor and rotational camp number causes. So that can Flow conditions can be set variably in a wide range.
  • the conditioning is in a closed Self-adaptive control system possible.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Separation Of Suspended Particles By Flocculating Agents (AREA)
  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
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  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Flockungseinrichtung zur Konditionierung von kolloidalen Suspensionen mit einem Flockungsapparat, der einen Suspensionseinlauf, einen Suspensionsauslauf und einen Innenkegel hat, der zentrisch in einem kegelförmigen Außengehäuse gelagert ist, wobei der Innenkegel und/oder das Außengehäuse relativ zueinander rotierbar und zwischen dem Innenkegel und dem Außengehäuse ein Spaltraum zur Durchströmung mit Suspensionen ist. Der Innenkegel und/oder das Außengehäuse ist axial verschiebbar gelagert und ein Aktuator steht zur gesteuerten axialen Verschiebung des Innenkegels und/oder Außengehäuses in Wirkverbindung mit dem Innenkegel und/oder Außengehäuse.
Zur Verbesserung von spezifischen Eigenschaften einer Suspension, z. B. der Entwässerbarkeit oder Eindickfähigkeit, wird die Suspension herkömmlicherweise mit einem Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel versetzt und in einem Flockungsapparat mechanisch aufbereitet. Die Flockung selbst wird in einer Rapid-Mischer-Einheit durchgeführt, so dass die Flocken entstehen. Die Ausformung der Flocken erfolgt in einem Flockenapparat, wobei durch Scherkräfte und Flockenerosion die entstandenen Flocken pelletiert und abgerundet werden, so dass sich die gewünschte Eigenschaft der Flocken, z. B. Erhöhung der Entwässerungsfähigkeit oder Eindickung nochmals verbessern kann. Allerdings dürfen die Scherkräfte nicht zu groß sein, weil dann die Flocken dann wieder zerstört werden und sich die spezifischen Flockeneigenschaften verschlechtern können.
Mit dem Rapid-Mischer wird das Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel in eine Suspension durch turbulente Strömungsbewegungen dispergiert. Dabei sind die Formations- und Adsorptionsreaktionszeiten der Flockungschemikalien sehr kurz und es ist zur Optimierung der Flockenbildungsergebnisse auf eine homogene Einmischung der Substanzen zu achten.
Die Einmischung von Flockungsmitteln und/oder Flockungshilfsmitteln erfolgt herkömmlicherweise mit Rührkesseln oder mit Rohrreaktoren mit Pfropfenströmung, wie zum Beispiel Injektions-Mischern, Inlineturbo-Mischern und Pumpen.
Von M. Reiter, M. Schmidt und U. Wiesmann: Der durchströmte Zylinderrührer im Bereich der wirbelbehafteten Strömung - ein Apparat mit interessanten Eigenschaften, V. T.- Verfahrenstechnik 14 (1980) Nr. 9, Seiten 578 bis 582 wurde die Flockenbildung mit einem Zylinderrührer untersucht. Dieser besteht aus zwei koaxialen Zylindern, von denen entweder der innere, der äußere oder beide Zylinder mit unterschiedlicher Drehzahl gleichläufig oder gegenläufig rotieren. Dabei wurde festgestellt, dass die optimale Energieeintragszahl abhängig von der Verweilzeit im Zylinderrührer ist.
In A. Hemme, R. Polte, P. Ay: Peletierungsflockung - die Alternative zur herkömmlichen Schlammkonditionierung in Aufbereitungs-Technik 36 (1995) Nr. 5, Seiten 2226 bis 235 ist die Schlammkonditionierung mit einem kegelförmigen Pelletierungsapparat beschrieben. Der Klärschlammstrom verläuft von oben von der Kegelbasis nach unten zur Kegelspitze, wobei Flockungshilfsmittel in den Kegelspaltraum des Pelletierungsreaktors eingefügt wird. In der konischen Pelletierzone rollen die Flocken-Pellets kreisend auf der Pelletierfläche ab. Hierbei werden nur die mechanisch stabilen Pellets mit einer bestimmten Größe und Festigkeit ausgetragen. Der Konditionierprozess wird durch einen Kegelrührer zur Erzeugung einer Zirkulationsströmung gesteuert.
In der DD 289 754 A5 ist ein Kegelrührer mit axial verschiebbar angeordneter hohlkegelförmiger Leitwand offenbart, dem ein statischer Mischer vorgeschaltet ist. In dem US-Patent 3,834,541 ist eine Vorrichtung zur Trennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten in einer Suspension mit einem Rührwerk und Stromverteilerdrosseln offenbart. Über eine Pumpe wird Flockungsmittel in den Suspensionsstrom gegeben, der anschließend in den Flockungsapparat geleitet wird.
Die GB 1 520 490 A beschreibt einen Mischer zum kontinuierlichen Vermischen von Feststoffen mit Feststoffen, strömungsfähigen Mischungen und/oder mit Gasen.
In dem US-Patent 5,902,042 ist ein Mischer in Form eines Kegelrührers mit axial verschiebbarem Kegel beschrieben, bei dem die Suspension mit einer Pumpe aus einem Behälter in den Kegelrührer hineingepumpt wird. Der Kegelrührer hat ein axial verschiebbaren Kegel sowie drei Eintrittsöffnungen für verschiedene Flüssigkeiten auf der Kopfseite. Die Flüssigkeiten werden in dem Kegelrührer vermischt, wobei der optimale Betriebsbereich eine laminare beziehungsweise laminar-zellulare Strömungscharakteristik voraussetzt.
Für die optimale Konditionierung von Klärschlämmen wechselnder Qualität und Zusammensetzung unter Berücksichtigung sonstiger Verfahrensparameter ist es erforderlich, dass die wesentlichen Parameter, wie zum Beispiel Partikelgrößenverteilung, Porosität oder die spezifische Oberfläche des Klärschlamms reproduzierbar eingestellt wird.
Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Flockungsapparat zu schaffen, der variabel an die Umgebungsbedingungen angepasst werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Flockungsapparat in Form eines Kegelrührers dadurch gelöst, dass unmittelbar vor dem Suspensionseinlauf ein Mischer zur Erzeugung einer hochturbulenten Suspensionsströmung angeordnet ist. Der Mischer ist hierbei mit dem Flockungsapparat vorzugsweise in einem Gerät integriert.
Damit ist das Reaktionsvolumen in dem Flockungsapparat variabel und kann an die Umgebungsbedingungen angepasst werden. Durch die axiale Verschiebung des Innenkegels und/oder Außengehäuses kann die Spaltweite des Durchflussraums zwischen Innenkegel und Außengehäuse leicht verstellt werden. Hierdurch kann sowohl die Verweilzeit bei unterschiedlichen Volumenströmen konstant gehalten werden, als auch das Strömungsregime an sich ändernde Massenstrome angepasst werden.
Der Suspensionseinlauf befindet sich vorzugsweise im Bereich der Kegelbasis des Innenkegels und Außengehäuses und der Suspensionsauslauf im Bereich der Kegelspitze des Innenkegels und Außengehäuses. Auf diese Weise verläuft der Suspensionsstrom vorzugsweise von der Kegelbasis zur Kegelspitze. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer solchen Strömungsrichtung die Flockungsergebnisse reproduzierbar und optimal sind.
Die Oberfläche des Innenkegels und/oder die Innenfläche des Außengehäuses sollten zum Beispiel durch eingefräste Längsnuten profiliert sein. Hierdurch wird die Strömung schneller umgesetzt.
Die Rotationsachse des Innenkegels steht vorzugsweise annähernd senkrecht, wobei der Suspensionseinlauf oberhalb von dem Suspensionsauslauf angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine natürliche Suspensionsströmung von oben nach unten erzwungen.
Überraschend hat sich herausgestellt, das der Neigungswinkel des Innenkegels relativ gering sein sollte und etwa 2 bis 30 Grad betragen sollte. Im Unterschied hierzu weisen herkömmliche Kegelrührer einen Neigungswinkel von 35 Grad und Zylinderrührer einen Winkel von 0 Grad auf. Es wurde erkannt, das mit einem geringen Neigungswinkel optimale reproduzierbare und steuerbare Flockungsergebnisse erzielt werden können.
Die Konditionierung von kolloidalen Suspensionen, wie z. B. Klärschlamm, mit der erfindungsgemäßen Flockungseinrichtung erfolgt vorzugsweise durch:
  • kontinuierliches Erfassen einer Flockengrößenverteilung eines in den Flockungsapparat geleiteten Suspensionsstroms,
  • Erzeugen einer hochturbulenten Suspensionsströmung vor dem Einleiten in den Flockungsapparat zur Durchmischung,
  • axiale Verschiebung des Innenkegels und/oder Außengehäuses in Abhängigkeit von einer Flockengrößenverteilung und dem Suspensionsvolumenstrom.
Zudem kann die Drehzahl des Innenkegels und/oder Außengehäuses in Abhängigkeit von einer Flockengrößenverteilung geregelt werden.
Es wird somit ein kontinuierlicher gesteuerter Prozess ermöglicht, bei dem eine Flockengrößenverteilung zum Beispiel optisch fortlaufend aufgenommen wird und als Regelgröße für den Flockungsapparat dient. Die Strömungsumsetzung, die Verweilzeit und das Reaktionsvolumen wird hierbei durch die axiale Verschiebung des Innenkegels beziehungsweise des Außengehäuses an die Suspensionseigenschaften und die Flockengrößenverteilung angepasst.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 -
Schnittansicht des Flockungsapparates mit axial verschiebbaren Innenkegel;
Figur 2 -
Schnittansicht eines Rapid-Mischers zur Erzeugung einer hochturbulenten Suspensionsströmung.
Die Figur 1 lässt den erfindungsgemäßen Flockungsapparat 1 in einer Schnittansicht erkennen. Der Flockungsapparat 1 besteht im wesentlichen aus einem kegelförmigen Außengehäuse 2 und einem Innenkegel 3, der zentrisch in dem Außengehäuse 2 angeordnet ist. Der Innenkegel 3 ist rotierbar auf einer angetriebenen Welle 4 gelagert.
Ein Suspensionsstrom wird durch eine Suspensionseinlauf 5 im Bereich der Kegelbasis des Innenkegels 3 in den Flockungsapparat 1 eingeleitet. Die Suspension durchströmt dann zusammen mit dem Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel den Spaltraum zwischen dem Innenkegel 3 und dem Außengehäuse 2 in axialer Richtung von der Kegelbasis zur Kegelspitze und strömt durch einen Suspensionsauslauf 6 im Bereich der Kegelspitze aus.
Der Neigungswinkel des Innenkegels 3 und entsprechend der Neigungswinkel des Außengehäuses 2 ist relativ gering und liegt im Bereich von etwa 2 bis 30 Grad. Da sich die Radien des Innenkegels 3 für die durchströmten Suspensionen während der Durchströmung ändern, sind die entstehenden Zentrifugalkräfte auf Grund der sich ändernden Umfangsgeschwindigkeit entlang der angetriebenen Welle 4 nicht konstant. Im Unterschied zu Zylinderrührern sind die Strömungsverhältnisse nicht über der Länge des Kreis- oder Kegelspaltes einheitlich.
Wenn der Flockungsapparat 1 von der Kegelbasis des Innenkegels 3 in Richtung der Kegelstumpfspitze durchströmt wird, wird die Suspension beim Eintritt an der Kegelbasis zunächst größeren Scherkräften ausgesetzt, da dort die Grundströmung auf Grund der höheren Umfangsgeschwindigkeit am Größten ist. Die Scherkräfte nehmen in Richtung der kleiner werdenden Radien des Innenkegels 3 kontinuierlich ab, so dass bereits gebildete Flockenstrukturen später nicht oder nur kaum zerstört werden.
Das Außengehäuse 2 ist erheblich länger als der Innenkegel 3, so dass der Innenkegel 3 axial in einem weiten Bereich verschiebbar ist. Alternativ kann der Flockungsapparat 1 aber auch so aufgebaut sein, dass das Außengehäuse 2 axial relativ zum Innenkegel 3 verschoben werden kann. Es ist auch denkbar, dass das Außengehäuse 2 rotierbar ist.
Durch die axiale Verschiebung des Innenkegels 3 gegenüber dem Außengehäuse 2 kann die Spaltweite zwischen Innenkegel 3 und Außengehäuse 2 variabel angepasst werden. Die axiale Verschiebung kann zum Beispiel mit einem Spindelhubantrieb als Aktuator realisiert werden, der mit der Welle 4 zusammen wirkt. Die Motorwelle eines nicht dargestellten Antriebsmotors ist fest mit einer Führungshülse verbunden, die mit einer Passfederverbindung in Wirkverbindung mit der Welle 4 steht, so dass die Welle 4 axial gegenüber der Motorwelle verschoben werden kann. Die Welle 4 ist vorzugsweise in einem Schrägkugellager 7 gelagert, wobei das Lagergehäuse vorzugsweise quadratisch ist, um dieses in der Nut einer Führungsschiene zu führen. Damit ist sichergestellt, dass nach der Kupplung durch das Schrägkugellager 7 keine Rotation mehr auftritt, die auf den Spindelhubantrieb wirken könnte.
Die Figur 2 zeigt einen Rapid-Mischer 8 mit einem Suspensionseinlauf 9 und einem Suspensionsauslauf 10. Der Suspensionsauslauf 10 ist unmittelbar vor den Suspensionseinlauf 5 des Flockungsapparats 1 geschaltet. Der Rapid-Mischer 8 hat einen von außen nach innen durchströmten Hauptrotor 11, der mit angestellten, schneidenförmigen Schaufeln ausgestattet ist, die die Suspension in Förderrichtung mitreißen. Das Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel wird über vier über den Umfang verteilte Stutzen 12 dem Rapid-Mischer 8 zugeführt. Nach der Durchmischung im Hauptrotor 11 gelangt das Medium in einen zwischengelagerten Stator 13, dessen Mantel zur Verringerung von Verschleiß über den Bereich des Hauptrotors 11 hinaus verlängert ist.
In Durchströmungsrichtung hinter dem Stator 13 ist ein Hilfsrotor 14 vorgesehen. Diese Anordnung von hintereinander geschaltetem Hauptrotor 11, Stator 13 und Hilfsrotor 14 gewährleistet eine homogene Durchmischung des Mediums innerhalb einer bestimmten Verweilzeit. Die Rotordrehzahl sollte stufenlos bis zu etwa 2800 N/min einstellbar sein.
Mit Hilfe der Anordnung aus hintereinander geschaltetem Rapid-Mischer 8 und Flockungsapparat 1 ist der Konditionierungsprozess mit vier unterschiedlichen Freiheitsgraden regelbar. In dem Rapid-Mischer wird das Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel homogen eingemischt und es wird eine Totalflockung der Suspension durchgeführt. Hierbei sind die Menge des eingebrachten Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittels und die Höhe der Mischenergie durch Anpassung der Drehzahl des Rapid-Mischers 8 variabel einstellbar.
Mit dem Flockungsapparat wird die Flockung diskretisiert. Hierbei werden die unterschiedlich großen Aggregate der Totalflockungen durch Scherkraftbeanspruchung erodiert, reflockuliert, kompaktiert und vergleichmäßigt. Hierzu ist in dem Flockungsapparat 1 die Drehzahl und das Reaktionsvolumen des Apparates veränderbar. Hierdurch können die Flocken in einem weiten Bereich einem angepassten Scherkraftregime ausgesetzt werden.
Die Einstellung des Rapid-Mischers 8 und des Flockungsapparates 1 erfolgt somit in Abhängigkeit von dem Volumenstrom und insbesondere der Flockengröße und der Flockengrößenverteilung. Die Flockengröße und die Flockengrößenverteilung hat nämlich z. B. einen entscheidenen Einfluss auf die Entwässerungs- und Eindickfähigkeit von Suspensionen wie z. B. Klärschlamm. Für eine optimale Entwässerung ist es entscheidend, dass eine bestimmte Flockengrößenverteilung vorliegt. Kleine Strukturen, wie ungeflockte Primärteilchen, sowie kleinste Fraktale in der Flockensuspension mindern z. B. das Entwässerungsergebnis oder das Sedimentationsverhalten. Ebenso wirken sich struktur-instabile Flocken negativ aus.
Der Rapid-Mischer 8 wird nunmehr so geregelt, dass das Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel homogen und vollständig mit der Suspension vermengt wird. Dabei muss soviel Energie in das Suspensions-Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel-Gemisch fließen, dass jedes Suspensionsteilchen die Möglichkeit hat, sich mit Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel zu verbinden. Auf der anderen Seite darf nur so viel Energie eingesetzt werden, dass die Flocken nicht während oder sofort nach ihrer Entstehung wieder zerstört werden. Hierzu ist die Drehzahl entsprechend in bekannter und wissenschaftlich vielfältig untersuchter Weise einzustellen.
In dem Flockungsapparat 1 wird die Drehzahl und die Spaltweite zwischen Innenkegel 3 und Außengehäuse 2 variiert. Durch die Spaltweitenänderung wird sowohl eine Volumenänderung und damit eine Änderung der axialen Kennwerte wie Verweilzeit, axiale Geschwindigkeit, axiale Reynoldszahl und axiale Campzahl, sowie eine Änderung der Radienverhältnisse und damit eine Änderung der Taylor- und rotationellen Campzahl bewirkt. Damit können die Strömungsverhältnisse in einem weiten Bereich variabel eingestellt werden.
Hierzu wird neben dem Volumenstrom vorzugsweise optisch die Flockengrößenverteilung bestimmt und der Rapid-Mischer 8 und der Flockungsapparat 1 so geregelt, dass eine optimale Flockengrößenverteilung resultiert. Hierdurch ist die Konditionierung in einem geschlossenen selbstadaptierenden Regelsystem möglich.

Claims (8)

  1. Flockungseinrichtung zur Konditionierung von kolloidalen Suspensionen mit einem Flockungsapparat (1), der einen Suspensionseinlauf (5), einen Suspensionsauslauf (6) und einen zentrisch in einem kegelförmigen Außengehäuse (2) gelagerten Innenkegel (3) hat, wobei der Innenkegel (3) und/oder das Außengehäuse (2) relativ zueinander rotierbar sind und zwischen dem Innenkegel (3) und dem Außengehäuse (2) ein Spaltraum zur Durchströmung mit Suspensionen ist, wobei der Innenkegel (3) und/oder das Außengehäuse (2) axial verschiebbar gelagert ist und ein Aktuator zur gesteuerten axialen Verschiebung des Innenkegels (3) und/oder Außengehäuses (2) in Wirkverbindung mit dem Innenkegel (3) und/oder Außengehäuse (2) steht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischer (8) zur Erzeugung einer hochturbulenten Suspensionsströmung vor dem Suspensionseinlauf (5) so angeordnet ist, dass ein Suspensionsauslauf (10) des Mischers (8) in den Suspensionseinlauf (5) des Flockungsapparates (1) mündet.
  2. Flockungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Suspensionseinlauf (5) im Bereich der Kegelbasis des Innenkegels (3) und Außengehäuses (2) und des Suspensionsauslaufs (6) im Bereich der Kegelspitze des Innenkegels (3) und Außengehäuses (2) ist, und dass der Suspensionsstrom von der Kegelbasis zur Kegelspitze verläuft.
  3. Flockungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Innenkegels (3) und/oder die Innenfläche des Außengehäuses (2) profiliert ist.
  4. Flockungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil aus Längsnuten gebildet ist.
  5. Flockungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse des Innenkegels (3) senkrecht steht und der Suspensionseinlauf (5) oberhalb von dem Suspensionsauslauf (6) angeordnet ist.
  6. Flockungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel des Innenkegels (3) 2 bis 30 Grad beträgt.
  7. Verfahren zur Konditionierung von Suspensionen mit einer Flockungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
    kontinuierliches Erfassen einer Flockengrößenverteilung eines in die Flockungseinrichtung geleiteten Supensionsstroms,
    Erzeugen einer hochturbulenten Suspensionsströmung vor dem Einleiten in den Flockungsapparat (1) zur Durchmischung,
    axiale Verschiebung des Innenkegels (3) und/oder Außengehäuses (2) in Abhängigkeit von der Flockengrößenverteilung und dem Suspensionsvolumenstrom.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Regelung der Drehzahl des Innenkegels (3) und/oder Außengehäuses (2) in Abhängigkeit von einer Flockengrößenverteilung.
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