EP3300806A1

EP3300806A1 - Hydrozyklon mit speziellem unterlaufaustragsrohr

Info

Publication number: EP3300806A1
Application number: EP17183347.8A
Authority: EP
Inventors: Michael Kramer
Original assignee: Andritz AG
Current assignee: Andritz AG
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2018-04-04
Also published as: AT518392B1; AT518392A4

Abstract

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Hydrozyklon (1) mit einem Zulaufbereich (2) mit einem tangentialen Zulauf (4) für eine Aufgabetrübe (6) und einem weiteren an den Zulaufbereich (2) anschließenden Abscheidebereich (3) mit einem Unterlaufaustragsrohr (8) zur Abfuhr von Schwerstoffen und einer Oberlaufdüse (9), die in Form eines Tauchrohres axial in das Innere des Hydrozyklons (1) ragt. Erfindungsgemäß ist das Unterlaufaustragsrohr (8) stirnseitig verschlossen und weist es in der Seitenwand (13) für die Abfuhr der Schwerstoffe Öffnungen (10) auf.

Description

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Hydrozyklon mit einem Zulaufbereich mit einem tangentialen Zulauf für eine Aufgabetrübe und einem weiteren an den Zulaufbereich anschließenden Abscheidebereich mit einem Unterlaufaustragsrohr zur Abfuhr von Schwerstoffen und einer Oberlaufdüse, die in Form eines Tauchrohres axial in das Innere des Hydrozyklons ragt.
Ein Hydrozyklon besteht in der Regel aus einem zylindrischen Segment mit einem tangentialen Zulauf (Einlaufdüse) und einem daran anschließenden konischen Segment mit der Unterlauf- oder Apexdüse. Der Vortex-Finder bzw. die Oberlaufdüse ragt in Form eines Tauchrohres axial von oben in das Innere des Zyklons.
Hydrozyklone sind Trennaggregate, die Feststoffgemische basierend auf unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten zu trennen vermögen. Dabei ist von keiner vollständigen Trennung der Fraktionen auszugehen, vielmehr sind große Unterschiede in der Sinkgeschwindigkeit mit stark unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten belegt, in den jeweiligen Grob- oder Feinstoffabzug zu gelangen.
Die Trübe wird dabei in der Regel dem Zyklon Kopfstück tangential zugeführt, dort auf eine abwärts gerichtete Kreisbahn gezwungen und durch die konische Verjüngung des Abscheidebereichs auf der daraus resultierenden Abwärtsspirale beschleunigt. Diese Beschleunigung und die daraus resultierende Fliehkraft führen zu einem starken Kraftfeld, welches alle spezifisch schwereren Partikel als das umgebende Fluid nach außen treibt, während alle leichteren Teilchen nach innen gefördert werden. Entlang der gesamten Abwärtsspirale erfolgt eine Ablösung der kernnahen Schichten in die nach oben gerichtete Oberlaufströmung. Der unten abgeführte, eingedickte Strom wird Unterlauf genannt, der nach oben abgeführte, wird als Ober- bzw. Überlauf bezeichnet.
Die Bezeichnungen "oben" und "unten" gehen in der vorliegenden Beschreibung vom Oberlauf (spezifisch leichtere und/oder kleinkörnigere Fraktion) und vom Unterlauf (spezifisch schwerere und/oder gröbere Fraktion) aus. Die tatsächliche Positionierung des Hydrozyklons ist davon jedoch weitestgehend unabhängig, so werden häufig auch horizontal eingebaute Hydrozyklone verwendet.
Naturgemäß beinhaltet die kernnahe Strömung deutlich weniger Feststoffe als die außenliegenden, nach unten gerichteten Strömungsfelder. Zudem besteht für Partikel mit sehr kleinen Sinkgeschwindigkeiten eine deutlich höhere Wahrscheinlichkeit in die Oberlaufströmung zu gelangen, als dies für grobkörnige Fraktionen der Fall ist, sodass es zu einer relativen Anreicherung an Feinstoffen (auf die Feststoffmasse bezogen) im Oberlauf kommt. Volumenbezogen (in mg/l) liegt der Fall allerdings genau umgekehrt, bezogen auf den abgeführten Volumenstrom weist der Oberlauf eine Feststoffabreicherung bei Feinfraktionen auf, sofern diese spezifisch schwerer als das Fluid sind.
Wesentlich für das Trennverhalten des Hydrozyklons ist die Art des Unterlaufaustrages. Man unterscheidet Strangaustrag (bei kleinen Unterlaufdüsen bzw. hohen Feststoffgehalten) und Schirmaustrag. Dazwischen gibt es einen Übergangsbereich.
Während im Strangaustragsbereich keine Lufttrombe sichtbar ist, bildet sich diese im Schirmaustrag deutlich aus, und übt damit einen massiven Einfluss auf das Strömungsbild im Hydrozyklon aus. Luft wird durch die Unterlaufdüse angesaugt, zeitgleich aber vermehrt Feinstoffe aus dem Bereich der Kernströmung mit in den Unterlauf gefördert. Es tritt also im Unterlauf eine (häufig ungewollte) Aufkonzentration von Feinstoffen, bezogen auf das abgezogene Fluidvolumen auf.
Bei Vorliegen eines Strangaustrages findet diese Vermischung von Schichten im Zyklon Unterlauf in wesentlich geringerem Ausmaß statt, was sich in einer deutlich schärferen Trennung niederschlägt.
Erfahrungsgemäß ändert sich die Trenncharakteristik im Zyklon signifikant, wenn es zu einem Umschlag des Austrittsbildes vom Strangaustrag zum Schirmaustrag kommt. Qualitative Einbußen hinsichtlich der Trennschärfe sind die Folge.
Eine gezielte Einflussnahme auf das Unterlaufprofil lässt sich nur bedingt umsetzen. Strangaustrag erhält man unter anderem bei:

hohem Feststoffgehalt
kleinem Unterlaufdurchmesser
hoher Partikelgröße (und damit hoher Sinkgeschwindigkeit)
niedriger Temperatur
hoher Viskosität im Fluid

Nicht immer lassen sich aber die Betriebsbedingungen so setzen, dass ein permanenter Strangaustrag gegeben ist. So ist z.B. bei schwankenden Einlauffeststoffgehalten die Auslegung nach dem geringsten Feststoffgehalt auszuführen, mit dem Risiko der Verstopfung der Unterlaufdüse bei hohen Feststoffanteilen im Zulauf.
Hohe Temperaturen verschärfen das Problem zusätzlich, weil die Viskosität des Trägermediums sinkt und damit weniger Reibungsverluste im Konusteil auftreten, wodurch im Austritt mehr Drall vorliegt und dadurch der Strang aufreißt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hydrozyklon derart zu verbessern, dass ein Schirmaustrag weitgehend vermieden werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Hydrozyklon gemäß Patentanspruch 1. Beim erfindungsgemäßen Hydrozyklon ist das Unterlaufaustragsrohr stirnseitig verschlossen und weist nur in der Seitenwand Öffnungen für die Abfuhr der Schwerstoffe auf.
Durch dieses modifizierte Austragsrohr für den Unterlauf wird eine Lufttrombenbildung und somit ein Schirmaustrag weitgehend verhindert.
Durch das stirnseitig verschlossene Austragsrohr kann der eingedickte Unterlauf nicht zentral aus dem Zyklon abgeführt werden. Die Strömung wird somit an die Wandung des Hydrozyklons gezwungen. Dort findet durch den eingedickten Feststoff eine sehr effiziente Trennung von feststoffarmen Oberlauf und hocheingedickten Unterlauf statt. Auch bei sinkendem Feststoffgehalt im Zulauf kann sich kein Luftkern ausbilden, weil der drallbehaftete Unterlauf nicht in direkter Verbindung mit dem Wirbelkern der Oberlaufströmung steht. Durch diese Modifikation wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass ein Feinstoffpartikel aus dem Oberlauf in den Unterlauf gelangt.
Es ist günstig, wenn die Öffnungen im Unterlaufaustragsrohr schlitzförmig ausgebildet sind, beispielsweise können in der Wand des Austragsrohres zwei gegenüberliegende schlitzförmige Öffnungen vorgesehen sein.
Der Abscheidebereich des Hydrozyklons kann entweder rein konisch ausgebildet sein oder aber aus einem konischen Teilstück und aus einem daran anschließenden zylindrischen Teilstück bestehen.
Je nach Ausführungsform kann sich das erfindungsgemäße Unterlaufaustragsrohr somit in den konischen Abscheidebereich oder in den zylindrischen Teilbereich des Abscheidebereichs erstrecken.
Wenn sich das Unterlaufaustragsrohr in den konischen Abscheidebereich erstreckt, kann man von einem zusätzlichen positiven Einfluss auf die Feinteilabscheidung ausgehen, weil der feinstoffbelastete Kern der Wirbelströmung durch den verschlossenen Oberteil des Austragsrohrs abgeblockt wird.
Das Unterlaufaustragsrohr kann stirnseitig mit einer kreisförmigen Platte verschlossen sein, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Unterlaufaustragsrohres ist. Dadurch stehen die Ränder der Platte über das Austragsrohr über und der Kern der Wirbelströmung wird besser von der Strömung im Bereich des Unterlaufs abgeschirmt.
Es ist auch denkbar, dass das Unterlaufaustragsrohr stirnseitig mit einer kegelförmigen Kappe verschlossen ist, wobei die Kappenspitze zur Oberlaufdüse weist.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Hydrozyklon anhand von vier Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydrozyklons;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydrozyklons;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für das Unterlaufaustragsrohr;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Unterlaufaustragsrohr;

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen jeweils gleiche Bauteile oder Stoffströme.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydrozyklons 1 dargestellt. Er besteht aus einem Zulaufbereich 2 und aus einem daran anschließenden Abscheidebereich 3. Der Zulaufbereich 2 ist hier zylinderförmig ausgebildet. Der Abscheidebereich 3 besteht aus einem konischen Teilstück 15, das direkt an den Zulaufbereich 2 angrenzt. Im unteren Bereich des Abscheidebereiches 3 ist das Unterlaufaustragsrohr 8 angeordnet, es ist an seinem stirnseitigen Ende 20 verschlossen. In der Seitenwand 13 des Unterlaufaustragsrohres 8 befinden sich zwei schlitzförmige Öffnungen 10, über die der Unterlauf 11 abgeführt wird.
Über den tangentialen Zulauf 4 wird eine Aufgabetrübe 6 dem Hydrozyklon 1 zugeführt. Bei der Aufgabetrübe 6 kann es sich beispielsweise um eine Gipssuspension handeln.
Durch die Oberlaufdüse 9, die in Form eines Tauchrohres axial in das Innere des Hydrozyklons 1 ragt, kann die spezifisch leichtere bzw. feinkörnigere Fraktion als Oberlauf 12 abgeführt werden. Die Mündungsöffnung 14 der Oberlaufdüse 9 endet hier im Anfangsbereich des Abscheidebereiches 3.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Hydrozyklons 1 dargestellt. Der Abscheidebereich 3 besteht hier aus einem konischen Teilstück 15 und einem daran angrenzenden zylindrischen Teilstück 18. Die Höhe z des konischen Teilstücks 15 beträgt hier weniger als 100 mm.
Das zylindrische Teilstücks 18 hat hier einen Durchmesser x von ungefähr 30 mm und eine Höhe (Länge des Teilstücks 18 in axialer Richtung betrachtet) y von ungefähr 40 mm.
Die hier angeführten Maße beziehen sich auf einen Hydrozyklon 1, der in der Versuchsanlage sehr gute Resultate erzielt hat, selbstverständlich ist es möglich, dass davon abweichende Maße ebenfalls sehr gute Ergebnisse erzielen.
Das Unterlaufaustragsrohr 8 ragt hier in das zylindrische Teilstück 18 hinein.
Im zylindrischen Teilstück 18 hat der abgesetzte Grobstoff genügend Platz, um sich mittels Drehbewegung gezielt Richtung Unterlaufaustragsrohr 8 zu bewegen. Außerdem verhindert diese Verlängerung, dass die Kernströmung in den eigentlichen Unterlauf (11) durchschlägt.
In Figur 3 ist gegenüber Figur 2 ein leicht modifiziertes Unterlaufaustragsrohr 8 dargestellt. Das Unterlaufaustragsrohr 8 wird hier an seinem oberen Ende durch eine kreisförmige Platte 21 verschlossen, deren Durchmesser größer ist, das der Durchmesser des Unterlaufaustragsrohres 8. Die Ränder der Platte 21 stehen somit etwas über und schirmen den Unterlaufbereich vom darüber liegenden Kernbereich ab.
In Figur 4 ist eine weitere Variante des Unterlaufaustragsrohres 8 dargestellt. Der stirnseitige Verschluss des Unterlaufaustragsrohres erfolgt hier über eine konusförmige Kappe 22.

Claims

Hydrozyklon (1) mit einem Zulaufbereich (2) mit einem tangentialen Zulauf (4) für eine Aufgabetrübe (6) und einem weiteren an den Zulaufbereich (2) anschließenden Abscheidebereich (3) mit einem in den Abscheidebereich (3) ragenden Unterlaufaustragsrohr (8) zur Abfuhr von Schwerstoffen bzw. Grobkorn, wobei eine Oberlaufdüse (9) in Form eines Tauchrohres axial in das Innere des Hydrozyklons (1) ragt, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlaufaustragsrohr (8) stirnseitig verschlossen ist und dass es in der Seitenwand (13) Öffnungen (10) aufweist, für die Abfuhr der Schwerstoffe.
Hydrozyklon (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (10) schlitzförmig ausgebildet sind.
Hydrozyklon (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlaufaustragsrohr (8) zwei gegenüberliegende schlitzförmige Öffnungen (10) aufweist.
Hydrozyklon (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidebereich (3) aus einem konischen Teilstück (15) und aus einem daran anschließenden zylindrischen Teilstück (18) besteht.
Hydrozyklon (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlaufaustragsrohr (8) stirnseitig mit einer kreisförmigen Platte (21) verschlossen ist, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Unterlaufaustragsrohres (8) ist.
Hydrozyklon (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlaufaustragsrohr (8) stirnseitig mit einer kegelförmigen Kappe (22) verschlossen ist, wobei die Kappenspitze (23) zur Oberlaufdüse (9) weist.