NL8204151A - Werkwijze en inrichting voor het scheiden van een medium in componenten met verschillende deeltjesmassa's. - Google Patents

Description

r * 2 P Kon/HPJS/Nobar 1

Werkwijze en inrichting voor het scheiden van een medium in componenten met verschillende deeltjesmassa's.

Deze uitvinding betreft een werkwijze voor het scheiden van een medium in componenten met verschillende deeltjesmassa's door middel van centrifugaalkracht in een met een vrije turbu-lentiestroom werkende inrichting, bijvoorbeeld cyclonen, waar-. 5 bij de deeltjes met een zwaardere massa tijdens de rotatiebe-weging worden geconcentreerd in de buitenste delen van een scheidende draaikolk en deeltjes met een lichtere massa worden geconcentreerd in die delen van de scheidende draaikolk, welke dichter bij een rotatiecentrum zijn gelegen.

10 De term "medium”,zoals hierna gebruikt, omvat poeder- vormige en vezelsbevattende, stromende vaste substanties, stromende vloeistoffen, vloeistofdruppels en gassen alsook mengsels daarvan. Dienovereenkomstig omvat de term "deeltje" vaste deeltjest vloeistofdruppels, vloeistofmoleculen, gas-15 moleculen of gasatomen. De term "scheidingskamer" omvat diverse turbulentiekamers alsook doorstroompijpen en doorstroomkamers, waarin de scheiding wordt uitgevoerd door middel van centrifugaalkracht.

Bekend zi.jn vele verschillende typen turbulentieschei-20 ders, zoals ..cyclonen "met turbulentiebeperkende cilindrische en conische oppervlakken. Gewoonlijk heeft een turbulentie of wervelkamer een glad oppervlak en is de wand van de kamer continue in de richting van de turbulente stroom. Door zulke onafhankelijk werkende turbulentiescheiders parallel aan elkaar 25 op te stellen is het mogelijk om bijvoorbeeld multicyclonen te vormen. Een voorbeeld is bekend uit het Amerikaanse octrooi-schrift 3.747.306. Bovendien zijn uit verschillende octrooi-schriften turbulentiescheiders bekend, waarin twee draaikolken tangentiaal verbonden zijn met elkaar en zodoende een tangen-30 tiele doorvoer van deeltjes met een bepaalde grootte van de ene draaikolk naar de andere toestaan. Ook is een turbulentie-systeem bekend, waarin. een te scheiden medium tangentiaal tussen 8204151 $ * -2- twee draaikolken in toegevoerd wordt. Een voorbeeld hiervan is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.248.699.

Een nadeel van zulke bekende turbulentiescheiders is, dat de centrifugaalkracht de te scheiden mediumdraaikolk tegen 5 de buitenoppervlakken aanduwt. Wrijving zal dus het ronddraaien van de draaikolk vertragen hetgeen leidt tot turbulentie in de nabijheid van de wanden. Wrijving en de opgewekte turbulentie veroorzaken een aanzienlijk energieverlies. Als gevolg van de verminderde rotatiesnelheid zal de centrifugaalkracht en daar-10 mee de scheidende kracht minder zijn. Bovendien zal de turbulentie een deel van de reeds uitgevoerde scheiding opnieuw vermengen. De bekende multicyclonen vereisen een grote ruirate en hun constructie is zwaar. Als gevolg van de door wrijving veroorzaakte verliezen is het moeilijk met de beschikbare 15 turbulentiescheiders de hoge turbulentiesnelheden te bereiken die nodig zijn voor het scheiden van bijvoorbeeld gassen of gasvormige mengsels. Wrijving neemt aanzienlijk met de toename van de snelheid toe. Vanwege het door de wrijving veroorzaakte remeffect kan een te scheiden medium niet in rotatie blijven 20 eri moet zodoende voor lange tijd aan de scheiding onderworpen worden.

Het doel van deze uitvinding is deze nadelen te vermin-. deren en dat kan bereikt worden door middel van de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij tenminste twee naast elkaar 25 opgestelde, scheidende draaikolken paarsgewijs lateraal met elkaar verbonden zijn, zodat de scheidende draaikolken, terwijl zij in tegenovergestelde richtingen roteren, onder een hoek van 0 tot 90° met elkaar botsen.

Het centrale element van deze uitvinding is het vermin-30 deren van het contact tussen een scheidende draaikolk en een oppervlak dat de draaikolk aan de buitenomtrek begrenst. Voor dit doel wordt een deel van het oppervlak, dat de draaikolk aan de buitenomtrek begrenst, of het gehele oppervlak verwijderd. De ondersteuningsfunctie van het oppervlak dat de draaikolk 35 binnenwaarts dwingt, wordt gecompenseerd door twee naast elkaar gelegen draaikolken tijdens hun rotatie in elkaar te laten lopen, waarbij zij elkaar binnenwaarts dwingen. De draaikolken die onder een kleine hoek in elkaar lopen, wekken geen turbu-lenties op en de wrijving ertussen is in principe nul, voorop- 8204151 * i -3- gesteld dat de rotatiesnelheden. gelijk zijn.

Een ander doel van de uitvinding is om een te scheiden medium in de draaikolk een radiale, oscillerende beweging te geven op het moment dat de botsingen plaatsvinden. Deze radiale, 5 oscillerende beweging draagt bij tot het scheiden van deeltjes met verschillende massa's. Bij het aanbrengen van de botsings-punten op gelijke afstanden van elkaar, is het mogelijk om in de draaikolk een regelmatige golfbeweging op te wekken, die zich in hoofdzaak in de richting van de straal van de rotatie 10 voortplant en die afwisselend de te scheiden mediumdeeltjes dichter en verder van elkaar afbrengt in de richting van de rotatiestraal. Een radiaal vanaf de buitenomtrek naar de binnen-omtrek gerichte stoot is in staat om de lichte deeltjes een hogere snelheid in de richting naar het r.otatiecentrum toe te 15 geven dan de zwaardere deeltjes, waarvan de traagheid alsook de centrifugale kracht groter zijn.

De hierna volgende figuren tonen bij wijze van voorbeeld enkele uitvoeringsvormen van de uitvinding, en illustreren tevens de werkwijze volgens de uitvinding. In de praktijk zijn 20 een groot aantal verschillende uitvoeringsvormen denkbaar voor de uitvinding. De vormen en dimensies van de inrichting volgens de uitvinding zijn volgens een gegeven gebruik gekozen. In de volgende figuren wordt getoond: fig.l toont een turbulentiesysteem volgens de uitvinding, 25 waarin de naast elkaar: opgestelde- scheidingsdraaikolken paars-gewijs en zijdelings met elkaar in contact zijn; fig*2 toont een turbulentiesysteem volgens de uitvinding, waarin de draaikolken ellipsvormig zijn? fig.3 is een zijaanzicht van een cyclonensysteem volgens 30 de uitvinding; fig.4 is een doorsnede langs de lijn IV-IV in fig.3? fig.5 is een axiale doorsnede van een cyclonensysteem volgens de uitvinding? fig.6 is een doorsnede langs de lijn IV-IV in fig.5; 35 fig.7 toont een axonometrisch aanzicht van een uitvoe- ringsvorm van een stromingverdeler; fig.8 toont een axonometrisch aanzicht van een andere uitvoeringsvorm van een stromingverdeler? fig.9 toont een dwarsdoorsnede variatie van een stroming- 8204151 -4- * * verdeler in fig.8; fig.10 is een doorsnede langs de rotatie-aslijn langs de lijn X-X in fig.8; fig.11 is een zijaanzicht van een inrichting voor een 5 tangentiele toevoer in fig.6; fig.12 is een perspektivisch aanzicht van een cyclonensysteem volgens de uitvinding, waarin de draaikolken conisch zijn; fig.13 toont axonometrisch stroraingverdelers in een 10 cyclonensysteem,; waarin de draaikolken conisch zijn; fig.14 is een axonometrisch aanzicht van een turbulentie-systeem volgens de uitvinding, waarin geen wanden tussen de individuele draaikolken aanwezig zijn; fig.15 is een doorsnede van een turbulentiekamersysteem 15 volgens de uitvinding, waarin een turbulentiekamer langs de omtrek is omgeven door een veelvoud vein andere turbulentiekamers; fig.16 is een axonometrisch aanzicht van een cyclonensysteem volgens de uitvinding, waarin de toevoer van een medium in het midden van de cycloon plaatsvindt? 20 fig.17 is een dwarsdoorsnede van een centrifuge met langs de omtrek van zijn rotatiecentrum een cyclonensysteem volgens de uitvindingr fig.18 is een axiale doorsnede langs de lijn XVIII-XVIII in fig.17; 25 fig.19 is een. axiale doorsnedetekening van een cycloon volgens de uitvindingr waarin de draaikolken conisch zijn en 'de wanden tussen de draaikolken nagenoeg weggelaten zijn; fig..20 toont in principe kleine stromingverdelers en de draaikolken in de nabijheid daarvan; en 30 fig.21. toont in principe draaikolken zonder stroming- verdeler►

Fig.l toont een turbulentiekamersysteem volgens de uitvinding, waarin de individuele turbulentiekamers naast elkaar in een regelmatig,. vierkant netwerk zijn gelegen. De turbulen-35 tiekamers of scheidingsruimten 10 zijn lateraal met elkaar verbonden, zodat bij benadering de helft van het wandoppervlak van de centrale kamers is verwijderd. Ter plaatse van een ver-wijderd wandoppervlak is een botsingzone 40 aanwezig, waarin de 8204151

Λ C

-5- draaikolken van de verschillende kamers in elkaar overlopen.

In de in fig.l getoonde vorm is het aantal draaikolken 4x4 maar het turbulentiekamersysteem kan een arbitrair aantal draaikolken 2 omvatten , die paarsgewijs in laterale richting met 5 elkaar zijn verbonden. In het voorbeeld van fig.l bevinden zich tussen de draaikolken stromingverdelers 39 met een vierkantige doorsnede en wisselende afraetingen. Ook de vorm van de stromingverdelers 39 kan gevarieerd worden. Bijvoorbeeld een golfvormige vorm bevordert de oscillatie.

10 Fig.2 toont een turbulentiesysteem volgens de uitvinding, waarin de individuele draaikolken 2 -.de vorm hebben van een ellips voor het intensiveren van de radiale botsingen. In het in fig.2 getoonde voorbeeld staan de langste diagonalen van de ellipsen loodrecht op elkaar. De langste diagonalen van 15 een ellips kunnen ook evenwijdig aan elkaar verlopen. Een turbulen tiesys teem volgens de uitvinding kan ook opgebouwd worden met behulp van draaikolken met een andere vorm, bijvoorbeeld vormen die lijken op afgeronde driehoeken en afgeronde vier-kanten en dergelijke.

20 In het zijaanzicht van fig.3 wordt een cyclonensysteem volgens de uitvinding getoond met 4x4 cyclonen die gecombineerd zijn tot een systeem of matrix van cyclonen. De figuur toont geen toevoermiddelen voor de cyclonen. De toevoer van een te scheiden medium in de cyclonen kan axiaal of tangentiaal uit-25 gevoerd worden. In het in fig.3 getoonde voorbeeld verlaten de gescheiden fracties in axiale richting de cyclonen, maar tangentiele afvoeropstellingen zijn ook mogelijk,

De dwarsdoorsnede van een cyclonensysteem, zoals getoond in fig.4, toont, dat de individuele turbulentiekamers 10 de-30 zelfde afmetingen hebben. Dit is voordelig, omdat daardoor de bbtsingskrachten in de verschillende draaikolken gelijk worden.

In dit geval bestaat de stromingverdeler 39 uit vier gladde secties met een cilindrisch oppervlak.

De in fig.5 getoonde doorsnede toont de tangentiele 35 toevoeren 12 van een cyclonen systeem, welke toevoeren tussen de individuele draaikolken 2 zijn aangebracht.

Fig.6 toont de desbetreffende tangentiele toevoeren 12 van boven.

Fig.7 toont een stromingverdeler 39 die in de stromings- 8204151 • -6- J v richtingen van de draaikolken is voorzien van kanaalvormige groeven met scherpe ribben ertussen. Door iriiddeX van zulk een vorm is het mogelijk om de vorm-van een axiale doorsnede van een draaikolk 2 in verschillende stadia van de rotatie te 5 wijzigen. Binnen de botsingszone 40 van de individuele draaikolk 2 is het grensvlak van de draaikolken een vlak, dat wil zeggen de axiale doorsnede van de draaikolk 2 is lineair. Als de deeltjes bij een in fig.7 getoonde stromingverdeler 39 aan-komen, worden de deeltjes gedwongen zich ook in axiale richting 10 te verplaatsen. De deeltjes met verschillende massa's zijn daardoor in staat om gemakkelijker in de gewenste richtingen van de scheiding elkaar te passeren. De dwarsdoorsnedevorm van een stromingverdeler kan ook bijvoorbeeld een cirkel of een ellips zijn. Bij de in de figuren 8,9 en 10 getoonde typen van 15 een stromingverdeler 39 is de axiale doorsnede golfvormig. Tus-sen de golfvormige randen zijn uitsparingen aanwezig, waarin de draaikolken 2 gedwongen worden. De regelmatige vorming van een- draaikolk 2 in axiale en radiale richting verbetert de scheiding.

20 Fig. 11 toont een detail van een mogelijkheid voor het aanbrengen van een tangentiele toevoer 12 bij de in de figuren 5 en 6 getoonde voorbeelden.

Fig „12. en 13 tonen een uitvoeringsvorm van conisch opge-stelde turbulentiekamers. De wijdte van een botsingszone 40 25 kan naar wens gekozen worden. De stromingverdelers 39 kunnen vlakke conische vlakken hebben of zij kunnen golvend of gegolfd in de omloopriediting van de draaikolk 2 of gegroefd in axiale richting· gemaakt zijn..

Fig.14 toont een uitvoeringsvorm van de uitvinding, waar-30 in de wanden tussen de individuele draaikolken 2 volledig ver-wijderd zijn. De draaikolken 2 worden gevormd en in stand ge-houden door middel van tangentiele toevoeren 12 die tussen de. draaikolken 2 aanwezig 2ijn, zoals getoond door de pijlen. De individuele draaikolken 2 wervelen met dezelfde snelheid en 35 met dezelfde afmetingen en dringen in laterale richting in elkaar door. De laterale wrijving tussen de draaikolken 2 is erg gering. In het voorbeeld van fig.14 zijn de rotatiecentra 49 evenwijdig. De inlaat of toevoer kan ook axiaal aangebracht zijn.

8204151 -7-

Fig.15 toont een turbulentiesysteem volgens de uitvin-ding, waarin een hoofddraaikolk 2 langs zijn omtrek is voorzien van een veelvoud van kleine draaikolken 2. Binnen de botsings-zone 40 zijn de tangentiele snelheid van de hoofddraaikolk en 5 die van de kleine draaikolken 2 gelijk, terwijl de hoeksnel-heden van de kleine draaikolken 2 groter zijn. De centrifugaal-kracht van de kleine draaikolken 2 wordt verminderd door een in vergelijking met de hoofddraaikolk 2 kleinere rotatiemassa, maar anderzijds is de centrifugaalkracht van de kleine draai- it 10 kolken 2 vergroot door een in vergelijking met de grote draai-kolk 2 grotere straal. De draaikolken 2 met de verschillende afmetingen zijn dus voor wat betreft de centrifugaalkrachten in evenwicht. in het voorbeeld van fig.15 wordt de deeltjes-massa van de grote draaikolk 2 onderworpen aan 18 botsingssto-15 ten gedurende een cyclus. In fig.15 zijn de langs de buiten-delen van de grote kolk 2 aangebrachte botsingszones 40 in tangentiele richting zo gevormd, dat zij dezelfde lengte als de secties tussen de botsingspunten 40 hebben. Zodoende wordt de grote draaikolk 2 in een regelmatige golfbeweging gedwongen.

20 Fig.16 toont een cyclonensysteem volgens de uitvinding, waarin de cyclonen in axiale richting verspringen. De toevoer van het te scheiden medium is aangebracht in. de bovenste, centrale cycloon van waaruit de deeltjes ten dele zijdelings door de botsingszones 40 heen tot in de cyclonen in lagere 25 posities kunnen komen. Tijdens de overgang naar de lagere cyclonen wordt de fractie geconcentreerd in het bovenste deel van een turbulentiekamer 10 in deeltjes met een grotere massa.

De zware massadeeltj es concentreren zich voornamelijk in de laatste, axiaal als onderste gelegen cyclonen van een cyclonen-30 keten.

Uit de op in axiale richting verschillende niveaus gelegen cyclonen worden fracties met zware enlichte massa's ver-kregen die in verschillende mate geconcentreerd uit de uitlaten 13; 14 verkregen kunnen worden. Enkele van deze kunnen opnieuw 35 voor het effectueren van de concentratie door een inlaatpijp 12 tot in de centrale cycloon geleid worden. Door de regeling van de afmetingen en de druk van de uitlaten 13 en 14 van de op verschillende niveaus geplaatste cyclonen, is het mogelijk om de deeltjescompositie van de verschillende cyclonen te sturen.

8204151 ?-«%' i*'* * *. ϊΛ i * . · t 1 · ·· -8-

Daardoor is het. mogelijk om cycionensystemen of matrixen op te bouwen, waarin de centrale cycloon op regelmatige afstanden wordt omringd door 3, 4, 5 enzovoorts cyclonen en deze laatsten worden omringd door andere cyclonen.

5 Fig.17 toont een cyclonensysteem volgens de uitvinding, dat in een centrifuge langs de omtrek van een rotatiecentrum 490 is aangebracht. De rotatie van de centrifuge gecombineerd met de rotatie van de cyclonen wekt een oscillerende beweging in de draaikolken van de cyclonen op en versterkt zodoende 10 de scheiding. De oscillatie wordt ook vergroot door het feit, dat de aangrenzende draaikolken met elkaar botsen.

Fig.18 toont een centrifuge in axiale doorsnede. De hoek tussen de rotatiecentra 49 van de cyclonen en het rotatiecentrum 490 van de centrifuge kan afhankelijk van de conische 15 en cilindrische vorm van de cyclonen en de lengte van een gewenste botsingszone 40 gevarieerd worden.

Fig.19 toont de symmetrische positie van de rotatiecentra 49 van conische draaikolken 2 relatief ten opzichte van elkaar in doorsnede, waarbij de wanden tussen de individuele 20 draaikolken bij de bcvenste delen van de draaikolken 2 ver-wijderd zijn, In dit geval liggen de posities van de rotatiecentra 49, gemeten langs een sferisch oppervlak 47, in een vierkant netwerk.

Fig.20 toont een voorbeeld, waarin vier draaikolken 2 25 in plaats van tussen. een grote stromingverdeler 49 tussen twee kleine stromingverdelers 60 zijn aangebracht. Zodoende is een tussen de draaikolken 2 gelegen wrijvingsoppervlak kleiner. Tussen de draaikolken 2 en de kleine stromingverdelers 60 zijn tegen-draaikolken aanwezig die de scheidende draaikolken 2 30 in laterale richting steunen.

Fig.21 tocirt de tegen-draaikolkvorming tussen scheidende draaikolken, in het geval dat er in het geheel geen stromingverdelers 39; 60 aanwezig zijn. De individuele draaikolken ontwikkelen zich op een natuurlijke wijze en bereiken een 35 intern evenwicht. In de praktijk kunnen deze draaikolken een zeer gecompliceerde eenheid vormen.

8204151

Claims (16)

1. Werkwijze voor het scheiden van een medium in components!! met verschillende deeltjesmassa's door middel Vein centrifugaalkracht in een met een vrije turbulentiestroom wer-kende inrichting, bijvoorbeeld. cyclonen, waarbij de deeltjes 5 met een zwaardere massa tijdens de rotatiebeweging worden ge-concentreerd in de buitenste delen van een scheidende draai-kolk (2) en deeltjes met een lichtere massa worden geconcen-treerd in die delen van de scheidende draaikolk (2), welke dichter bij een rotatiecentrum (49) zijn gelegen, met het ken-10 merk, dat tenminste twee naast elkaar opgestelde, scheidende draaikolken (2) paarsgewijs lateraal met elkaar verbonden zijn, zodat de scheidende draaikolken (2),terwijl zij in tegenover-gestelde richtingen roteren, onder een hoek van 0 tot 90° met' elkaar botsen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de naast elkaar opgestelde, scheidende draaikolken (2) een turbulentiesysteem vormen,· waarin de rotatiecentra (49) in axiale richting gezien een regelmatig, vierkant netwerk vormen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 de naast elkaar opgestelde, scheidende draaikolken (2) een turbulentiesysteem vormen:, waarin over de omtrek van een scheidende draaikolk (2) een veelvoud van andere scheidende draaikolken (2) zijn opgesteld.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 25 de naast elkaar opgestelde, scheidende draaikolken (2) een turbulentiesysteem vormen, waarin de rotatiecentra (4) van de scheidende draaikolken (2) met betrekking tot Sen van de rotatiecentra (49) symmetrisch zijn opgesteld.

5. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens 30 Sen van de conclusies 1-4, met het kenmerk, dat turbulentieka- mers (10) Vein evenwijdige turbulentiescheiders voor het vormen van botsingszones paarsgewijs elkaar gedeeltelijk overlappen, en de botsende, evenwijdige draaikolken (2) in tegenovergestelde richtingen roteren. 35 820 4 1 5 1 -10-

6. Turbulentiescheider volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de toevoer (12) van een te scheiden medium is aange-bracht tussen de turbulentiekamers (10) en' uitmondt in een botsingszone (40).

7. Turbulentiescheider volgens conclusie 5, met het ken- merk, dat de turbulentiekamers (10) in een regelmatig, vierkant netwerk parallel aan elkaar zijn opgesteld.

8. Turbulentiescheider volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat een turbulentiekamer (10) langs zijn omtrek is omringd 10 door andere turbulentiekamers (10).

9. Turbulentiescheider volgens een van de conclusies 5-7, met het kenmerk, dat kamerwanden (1) verwijderd zijn tussen de evenwijdige turbulentiekamers (10).

10. Turbulentiescheider volgens een van de conclusies 15 5-7, met het kenmerk, dat tussen vier evenwijdige turbulentiekamers (10) een stromingverdeler (39) met een vierkante door-snede is aangebracht.

11. Turbulentiescheider volgens Sen van de conclusies 5-7, met het kenmerk, dat tussen vier evenwijdige turbulentie- 20 kamers (10) twee kleine stromingverdelers (60) zijn aangebracht.

12. Turbulentiescheider volgens een van de conclusies * 5-7, met het kenmerk r dat tussen vier evenwijdige turbulentiekamers (10) een stromingverdeler (39) met een cirkelvormige doorsnede is aangebracht..

13. Turbulentiescheider volgens een van de conclusies .10-12, met het kenmerk, dat een stromingverdeler (39) in de voortplantingsricirting van een scheidende draaikolk (2) ge-groefd is.

14. Turbulentiescheider volgens conclusie 10, met het 30 kenmerk, dat een stromingverdeler (39) in de voortplantings-richting van een scheidende draaikolk (2) gegolfd is.

15. Inrichting voor het uitvoeren van een werkwijze volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de aangrenzende turbulentiekamers (10) in axiale richting verspringen.

16. Inrichting voor het uitvoeren van een werkwijze vol gens conclusie 1, met het kenmerk, dat de turbulentiekamers van een turbulentiescheider omtreksgewijs rond het rotatie-centrum van een centrifuge zijn opgesteld. 8204151