EP2358479B1

EP2358479B1 - Hydrozyklonanordnung

Info

Publication number: EP2358479B1
Application number: EP10751877A
Authority: EP
Inventors: Peter Kaniut; Thomas Neesse
Original assignee: AKW Apparate und Verfahren GmbH
Current assignee: AKW Apparate und Verfahren GmbH
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: WO2011023663A3; DE102009039238B3; EP2358479A2; WO2011023663A2; ES2403090T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hydrozyklonanordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Hydrozyklonanordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäβ dem Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Hydrozyklonanordnungen mit tangentialem Einlauf der Aufgabetrübe in einen zylindrisch-konischen Prozessraum und zwei Austrägen der Trennprodukte in einem Feinkorn-Oberlauf und einem Grobkorn-Unterlauf gehören zum Stand der Technik.
Derartige Apparate werden eingesetzt, um polydisperse Suspensionen bei einer gewünschten Korngröße möglichst trennscharf zu klassieren. Aus physikalischen sowie konstruktiven Gründen sind jedoch der Trennschärfe bei einem kontinuierlichen Betrieb von Hydrozyklonen Grenzen gesetzt.
Diese Grenzen betreffen vor allem feinste Teilchen im µm-Bereich, die mit dem wässrigen Medium gemeinsam mit dem Grobkorn ausgetragen werden, aber auch grobe Körner, die bei gewünschten Trennungen im µm-Bereich nicht vollständig im Unterlauf abgeschieden werden.
Ein Austrag von Feinteilchen im Unterlauf kann weitgehend dadurch verhindert werden, wenn keine oder nur geringe Flüssigkeitsmengen aus dem Hydrozyklon in den Unterlauf gelangen. Bekannt ist es, den Grobgutaustrag des Hydrozyklons in einen geschlossenen Behälter zu führen. Derartige Unterlaufkammern werden beispielsweise bei Hydrozyklonen in der Papierindustrie angewendet. Diese Hydrozyklone unterliegen einer kontinuierlichen Beschickung mit diskontinuierlicher Entleerung des Unterlaufbehälters, in dem sich nur relativ wenige störende Grobbestandteile sammeln. Bei einer solchen Betriebsweise werden allerdings keine hohen Anforderungen an das Trennergebnis gestellt.
Ebenso ist es bekannt, die Abscheidung von groben Teilchen im kontinuierlichen Betrieb durch Rückführung eines Teilstroms des Hydrozyklonoberlaufs zur Aufgabe in denselben Hydrozyklon und Vereinigung dieser Rückführung mit der Primäraufgabe zu verbessern. Der mit dieser Maßnahme erreichte Effekt ist jedoch im Vergleich zu einer Nachtrennung des Oberlaufs in einer folgenden Trennstufe unter Einsatz von kleineren Hydrozyklonen nur gering.
Keine der oben genannten Maßnahmen bietet eine ausreichend trennscharfe Klassierung im Feinkornbereich von weinigen µm unter einem sinnvollen wirtschaftlichen Aspekt.
Aus der DE 198 49 870 C2 ist eine Hydrozyklonanordnung mit einem Einlauf der Aufgabetrübe, einem Oberlauf und einem Unterlauf vorbekannt, wobei der Einlauf von einer Pumpe in eine Aufnahmekammer geführt wird. Ferner wird der Oberlauf in eine Sammelkammer geleitet, wobei für den Unterlauf ein freier Auslauf vorgesehen ist. Mehrere gleich bemessene Hydrozyklone sind räumlich dicht beieinander angeordnet und es münden die Oberläufe dieser Hydrozyklone in die für sie gemeinsame Oberlaufsammelkammer ein. Bei dieser Lehre des Standes der Technik ist die gemeinsame Oberlaufsammelkammer als Drucktopf ausgebildet und über eine Oberlaufsammelleitung mit einem verstellbaren Regelventil und einer zugehörigen Regeleinrichtung für die Einstellung des Volumensplits verbunden.
Mit einer solchen Lösung kann die Austragskapazität der Unterläufe erhöht und auf eine Vorabscheidung von Grobkorn verzichtet werden. Auch bei stark schwankenden Aufgabebedingungen gelingt es, die Trennkorngröße zu stabilisieren sowie den Feststoffgehalt im Unterlauf zu maximieren. Allerdings genügt in vielen Anwendungsfällen die Trennschärfe noch nicht den diesbezüglichen Forderungen der Anwender.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine weiterentwickelte Hydrozyklonanordnung mit einem Einlauf der Aufgabetrübe, einem Oberlauf, einem Unterlauf sowie einem Zulaufbehälter und mindestens einer Hydrozyklonspeisepumpe anzugeben, welche es ermöglicht, die Trennung im Feinkornbereich zu verbessern, so dass sowohl der Fehlaustrag von Feinkorn im Unterlauf als auch des Grobkorns im Oberlauf reduzierbar ist.
Die verfahrensmässige Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1. Die vorrichtungsmässige lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmalskombination gemäβ des Lehre nach Patentanspruch 11. Wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Es besteht demnach der Grundgedanke der Erfindung darin, den Hydrozyklon mit einem bestimmten, vorgelegten Suspensionsvolumen chargenweise zu beschicken und den Hydrozyklonoberlauf im Kreislauf zur Hydrozyklonvorlage zurückzuführen.
Darüber hinaus ist der Unterlaufbehälter druckdicht am Grobkornaustrag des Hydrozyklons angeschlossen und wird vor Inbetriebnahme mit einem liquiden Medium, insbesondere Frischwasser gefüllt.
Die Frischwasserfüllung verhindert einen unerwünschten Austrag von Flüssigkeit im Zyklonunterlauf. Es wird vielmehr nur der abgeschiedene Feststoff aufgetragen.
Dadurch, dass keine Flüssigkeit aus dem Zyklon in den Grobkornaustrag, d.h. den Unterlauf gelangt, wird die Trennung hinsichtlich des fehlausgetragenen Feinkorns wesentlich schärfer.
Andererseits bleibt aber auch das Suspensionsvolumen, das im Kreislauf über den Oberlauf des Zyklons ausgetragen wird, weitgehend konstant, insbesondere, wenn der Aufgabefeststoffgehalt nur wenige Volumenprozent beträgt.
Vorstehendes bedeutet, dass die Anzahl der Kreisläufe zur Nachreinigung des Oberlaufs an sich unbegrenzt sind. Bei Feinkorntrennungen kann es sinnvoll sein, den Kreislaufprozess über mehrere Stunden aufrecht zu erhalten. Die chargenweise Behandlung respektive Trennung wird spätestens dann abgebrochen, wenn der im Unterlauf abgeschiedene Feststoff annähernd die gleiche Größenverteilung aufweist wie derjenige im Zyklonoberlauf.
Die Hydrozyklonspeisepumpe befindet sich zwischen dem Ausgang des Zulaufbehälters und dem Einlauf des Hydrozyklons.
Erfindungsgemäß ist eine absperrbare Verbindung zwischen dem Oberlauf und dem Zulaufbehälter vorgesehen, um die Feinkornsuspension aus dem Oberlauf über eine vorgegebene oder vorgebbare Zeit in einem Kreislauf zu führen.
Weiterhin steht der Unterlauf mit einem geschlossenen Unterlaufbehälter in Verbindung, welcher eine Frischwasserzuführung aufweist.
Es wird weiterhin erfindungsgemäß chargenweise das zu trennende jeweilige Suspensionsvolumen im Zulaufbehälter vorgelegt und dann dem Hydrozyklon zugeführt. Die Füllung des Unterlaufbehälters mit Frischwasser erfolgt vor Inbetriebnahme des Hydrozyklons, so dass der Austrag von Feinkorn in den Unterlaufbehälter wirksam reduziert wird.
Die Feinkornfraktion wird nach dem Absperren der Verbindung zwischen Oberlauf und Zulaufbehälter ausgeschleust. Hierfür kann ein Schieber oder ein Dreiwegeventil Anwendung finden.
Nach dem Ausschleusen der Feinkornfraktion wird der Zulaufbehälter mit einer neuen, zu behandelnden Charge befüllt.
Nach Abschluss des chargenweise geführten Kreislauf- und Trennprozesses wird der Unterlaufbehälter über einen weiteren Schieber bzw. ein entsprechendes Ventil entleert.
Mittels des Schiebers oder des Ventils am Unterlaufbehälter kann auch während des Trennprozesses eine vorgegebene Menge der Suspension aus dem Unterlaufbehälter abgezogen werden.
Zwischen dem Unterlaufausgang des Hydrozyklons und dem Unterlaufbehälter ist eine Absperreinrichtung vorgesehen.
Weiterhin steht der Unterlaufbehälter über eine weitere Absperreinrichtung mit einer Frischwasser-Druckleitung in Verbindung.
Nach Entleerung des Zulaufbehälters und des Unterlaufbehälters kann über die Frischwasser-Druckleitung im Gegenstrom eine Reinigung der Gesamtanordnung vorgenommen werden.
Das Ausschleusen des Reinigungswassers kann über die absperrbare Verbindung zwischen Oberlauf und Zulaufbehälter erfolgen, wobei die diesbezügliche Absperreinrichtung als Dreiwegeventil oder Schieber, wie bereits dargelegt, ausgebildet sein kann.
In Weiterbildung der Erfindung besteht die Möglichkeit, mehrere Hydrozyklone auf einen gemeinsamen Unterlaufbehälter zu führen.
Die Speisepumpe kann in ebenfalls erfindungsgemäßer Weiterbildung mehrere Hydrozyklone mit Suspension versorgen, wobei die jeweiligen Oberläufe zu einer Sammelleitung führen, die die Feinkornsuspension in den Zulaufbehälter leitet.
Bei mindestens zwei vorhandenen Zulaufbehältern besteht die Möglichkeit eines wechselseitigen Kreislaufbetriebs unter Nutzung des jeweils mit dem Hydrozyklon verbundenen Zulaufbehälters.
Ebenfalls besteht die Möglichkeit, mehrere komplette vorgeschlagene Anordnungen auszubilden, wobei zur Durchsatzerhöhung ein abwechselnder Trenn- und Reinigungsbetrieb der jeweiligen Anlage erfolgt.
Zur Betriebsüberwachung sind ausgestaltend am Einlauf und/oder Oberlauf der Anordnung Durchflusssensoren vorgesehen.
Ebenso besteht die Möglichkeit, ausgangsseitig des Unterlaufbehälters Mittel zum mechanischen Beseitigen einer eventuellen Verstopfung anzuordnen.
Hierfür kann z.B. der Unterlaufbehälter ein Kniestück umfassen, durch welches ein Reinigungsstab oder eine Nadel zum Lösen von Verschmutzungen einführbar bzw. in diesen Bereich hinein bewegbar ist.
Ergänzend weist der Zulaufbehälter eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Suspensionsniveaus auf und es ist am Ober- und Unterlauf eine Anordnung von Messmitteln zur Feststoffgehaltsbestimmung vorgesehen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

Fig. 1: eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Hydrozyklonanordnung;
Fig. 2: eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 1, jedoch ergänzt um Mess- und Steuermittel, sowie
Fig. 3: eine Darstellung einer Ausführungsform des druckdichten Unterlaufbehälters mit der Möglichkeit zum Einführen eines Reinigungsstabs oder einer Reinigungsnadel über ein Kniestück.

Wie in den Darstellungen nach Fig. 1 und 2 ersichtlich, wird von einem Hydrozyklon 4 ausgegangen, der mit einem Zulaufbehälter 2 über eine Speisepumpe 3 in Verbindung steht.
Ein bestimmtes Suspensionsvolumen 1, das im Zulaufbehälter 2 vorgelegt wird, gelangt über die Speisepumpe 3 in die tangentiale Einlaufdüse des Hydrozyklons 4.
Das durch die Unterlaufdüse 5 ausgetragene Grobkorn 6 wird in einem geschlossenen Unterlaufbehälter 7 aufgefangen.
Der Unterlaufbehälter 7 wird vor Inbetriebnahme des Hydrozyklons mit Frischwasser 8 gefüllt. Diese Füllung erfolgt über entsprechende Rohrleitungen (Druckleitungen) sowie ein Absperrventil 12.
Aus dem Unterlaufbehälter 7 kann auch während des Betriebs über ein weiteres Ventil 11 bzw. einen Schieber Suspension abgezogen werden.
Die Feinkornsuspension 9 im Oberlauf des Hydrozyklons 4 wird in den Zulaufbehälter 2 zurückgeführt. Der Kreislauf über den Zulaufbehälter 2 hin zum Hydrozyklon 4 wird so lange geführt, bis die gewünschte Trennung erreicht ist.
Wenn das Maß der gewünschten Trennung gegeben ist, kann ein Schieber 10 geöffnet werden, um die getrennte Feinkornfraktion auszuschleusen. Anschließend kann der Zulaufbehälter 2 mit einer neuen Suspensionscharge 1 gefüllt werden.
Zwischen der Unterlaufdüse 5 und dem Unterlaufbehälter 7 ist ein Absperrventil 13 befindlich.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, während des Hydrozyklonbetriebs über eine Druckleitung unter Nutzung des Ventils 12 kontinuierlich Frischwasser dem Unterlaufbehälter 7 zuzuführen.
Nach Entleerung des Zulaufbehälters 2 und des Unterlaufbehälters 7 kann mittels Frischwasser über die Druckleitung und das Ventil 12 eine Gegenstromreinigung der gesamten Anlage erfolgen. Das Waschwasser kann, sobald der Zulaufbehälter 2 gefüllt ist, durch Einschalten der Hydrozyklonspeisepumpe über den Bypass durch Öffnen des Schiebers 10 ausgeschleust werden.
Für die Prozessführung besteht die Möglichkeit, das Suspensionsniveau 17 über eine geeignete Messeinrichtung L zu ermitteln. Ebenso kann durch Sensoren D1 und D2 der Feststoffgehalt 18 in der Feinkornsuspension des Oberlaufs und im Unterlaufbehälter ermittelt werden.
Die Grobkornsuspension wird über einen Stutzen am Boden des Unterlaufs nach Öffnen des Schiebers abgeführt, wobei der Austrag als freies Ausfließen oder nur mit Hilfe einer Abzugspumpe realisierbar ist.
Der Schieber zwischen Unterlaufdüse und Unterlaufbehälter ermöglicht den vollständigen oder teilweisen Abzug von Grobkorn auch während des laufenden Zyklonbetriebs. Hierdurch kann eine Fraktionierung des Grobkorns erzielt werden, da anfangs vorzugsweise die gröbsten, später immer feinere Fraktionen abgetrennt werden.
Es besteht betriebsseitig die Möglichkeit, einen geringen Strom aus dem Unterlaufbehälter kontinuierlich abzuziehen, wodurch die Trennung in den gröberen Bereich verschoben wird. Wenn ein geringer, kontinuierlicher Frischwasserstrom in den Unterlaufbehälter eingeführt wird, erfolgt eine Trennung hinein in den feineren Bereich. Schließlich kann ein starker Frischwasserstrom aus dem Unterlaufbehälter, wie dargelegt, zur Reinigung der Gesamtanlage genutzt werden.
Um den diskontinuierlichen Betrieb der vorgestellten Anordnung quasikontinuierlich zu gestalten, besteht bei einem Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, einen zweiten Zulaufbehälter vorzusehen, der während des Betriebs des ersten Behälters gefüllt und auf den mittels eines Schiebers umgestellt wird, wenn die Trennung des in Bearbeitung befindlichen Suspensionsvolumens abgeschlossen ist.
Im gleichen Sinne können zwei komplette parallele Systeme installiert und betrieben werden, was dann vorteilhaft ist, wenn bei relativ kurzer Trenndauer ein größerer Aufwand für die Reinigung der Anlage benötigt wird. Die Durchflussmessung gemäß Ausführungsbeispiel ermöglicht das Bestimmen, ob bei Zusammenschaltung mehrerer Zyklone eine Verstopfung vorliegt.
Verstopfungen im Unterlauf können gemäß der Darstellung nach Fig. 3 dadurch beseitigt werden, dass durch den Stutzen am Boden des Unterlaufbehälters ein Reinigungsstab 19 einführbar ist. Dieser Reinigungsstab 19 kann bei einer Verstopfung in die Unterlaufdüse 16 gestoßen werden. Zu diesem Zweck ist der Ablaufstutzen direkt unter der Unterlaufdüse 16 angeordnet. Die Nadel 19 kann eine Führung besitzen, die die Ausrichtung derselben auf die Unterlauföffnung gewährleistet.
Eine Reinigung der Unterläufe kann sicherheitshalber nach jedem Trennzyklus vorgenommen werden. Beim Parallelbetrieb mehrerer Zyklone beeinträchtigt die Verstopfung eines Zyklons nicht das insgesamt vorliegende Trennergebnis.
Es besteht die Möglichkeit, die Qualität des Trennergebnisses im laufenden Betrieb dadurch zu überwachen, dass der Feststoffgehalt im Oberlauf oder alternativ im Unterlaufbehälter gemessen wird. Ergänzend hierzu können auch die Korngrößenverteilungen im Oberlauf und/oder im Unterlaufbehälter bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hydrozyktonanordnung umfassend einen Hydrozyklon (4) mit einem Einlauf des Suspensionsvolumens (1), einem Oberlauf, einem Unterlauf, einem Zulaufbehälter (2) sowie mindestens einer Hydrozyklonspeisepumpe (3), die zwischen dem Zulaufbehälter (2) und dem Einlauf befindlich ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine absperrbare Verbindung (10) zwischen dem Oberlauf und dem Zulaufbehälter (2) vorgesehen ist, um die Feinkornsuspension (9) aus dem Oberlauf über eine vorgebbare Zeit im Kreislauf zu führen,
dass der Unterlauf mit einem geschlossenen druckdichten Unterlaufbehälter (7) in Verbindung steht, welcher eine Frischwasserzuführung aufweist,
dass chargenweise das zu trennende Suspensionsvolumen (1) im Zulaufbehälter (2) vorgelegt und dem Hydrozyklon (4) zugeführt wird sowie die Füllung des Unterlaufbehälters (7) mit Frischwasser (8) vor Inbetriebnahme des Hydrozyklons (4) erfolgt, so dass der Austrag von Feinkorn in den Unterlaufbehälter (7) reduziert ist.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Feinkornfraktion nach Absperren der Verbindung (10) zwischen Oberlauf und Zulaufbehälter (2) ausschleusbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Ausschleusen der Feinkornfraktion der Zulaufbehälter (2) mit einer neuen zu behandelnden Charge befüllbar ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach Abschluss des chargenweisen Kreislauf- und Trennprozesses der Unterlaufbehälter (7) über einen Schieber oder ein Ventil (11) entleerbar ist.
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels des Schiebers oder des Ventils (11) auch während des Trennprozesses eine vorgegebene Menge der Suspension aus dem Unterlaufbehälter (7) abziehbar ist.
Verfahren nach einem der vorangegangene Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Unterlaufbehälter (7) über eine Absperreinrichtung (12) verfügt, die mit einer Frischwasser-Druckleitung in Verbindung steht, wobei nach Entleerung des Zulaufbehälters (2) und des Unterlaufbehälters (7) über die Frischwasser-Druckleitung eine Gegenstromreinigung der Anordnung durchführbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausschleusen des Reinigungswassers über die absperrbare Verbindung (10) zwischen Oberlauf und Zulaufbehälter erfolgt, wobei die diesbezügliche Absperreinrichtung als Dreiwegeventil, Schieber oder dergleichen Mittel ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
über mehrere Zulaufbehälter (2) ein wechselseitiger Kreislaufbetrieb des jeweils mit dem Zyklon verbundenen Zulaufbehälters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche;
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere komplette Anordnungen vorgesehen sind, wobei zur Durchsatzerhöhung ein abwechselnder Trenn- und Reinigungsbetrieb erfolgt.
Hydrozyklonanordnung zum Betreiben eines Verfahrens gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 9, umfassend einen Hydrozyklon (4) mit einem Einlauf des Suspensionsvolumens (1), einem Oberlauf, einem Unterlauf, des Weiteren einem Zulaufbehälter (2) sowie mindestens einer Hydrozyklonspeisepumpe (3), die zwischen dem Zulaufbehälter (2) und dem Einlauf befindlich ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine absperrbare Verbindung (10) zwischen dem Oberlauf und dem Zulaufbehälter (2) vorgesehen ist und dass der Unterlauf mit einem geschlossenen druckdichten Unterlaufbehälter (7) in Verbindung steht, welcher eine Frischwasserzuführung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Unterlaufausgang des Hydrozyklons (4) und dem Unterlaufbehälter (7) eine weitere Absperreinrichtung (13) befindlich ist.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Hydrozyklone auf einen gemeinsamen Unterlaufbehälter führen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speisepumpe (3) mehrere Hydrozyklone mit Suspension beaufschlagt, wobei die jeweiligen Oberläufe zu einer Sammelleitung führen, die die Feinkornsuspension in den Zulaufbehälter leitet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Betriebsüberwachung am Einlauf und/oder Oberlauf Durchflusssensoren vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
ausgangsseitig des Unterlaufbehälters Mittel zum mechanischen Beseitigen einer eventuellen Verstopfung befindlich sind.
Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Unterlaufbehälter ein Kniestück umfasst, durch welches ein Reinigungsstab (19) oder eine Reinigungsnadel bis hin zur Unterlaufdüse einführbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zulaufbehälter eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Suspensionsniveaus (17) aufweist und und dass am Ober- und/oder Unterlauf Messmittel zur Feststoffgehaltsbestimmung (18) vorgesehen sind.