Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in zwei Kornfraktionen

Abstract

 1. Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in ein Feingut und ein Grobgut bei einer Trennkorngröße unterhalb 50 µm, vorzugsweise unterhalb etwa 10 µm.
2.1 Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die in wirtschaftlicher Weise eine scharfe Trennung vor allem im Kornbereich unterhalb von etwa 10 µm ermöglichen.
2.2 Zur Lösung dieser Aufgabe wird der feinkörnige Feststoff in einer tropfbaren Flüssigkeit dispergiert und die Dispersion in eine definierte Senkenströmung mit überlagerter, unabhängig von der Senkenströmung erzeugter Rotationsströmung gezwungen. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Senken- und Rotationsströmung bestimmt die Trennkorngröße.
2.3 Als Vorrichtung dient ein rotierend angetriebenes, von außen nach innen durchströmtes Abweiserad (3) mit parallel zu seiner Drehachse verlaufenden und Strömungskanäle bildenden Schaufeln (17), dem die Feststoffdispersion am Außenumfang aufgegeben wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf die Trennung eines feinkörnig in einer Flüssigkeit dispergierten Feststoffs in ein Feingut und ein Grobgut. Sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchfuhrung dieser Trennung im Korngrößenbereich unterhalb von etwa 50 µm, vorzugsweise unterhalb von etwa 10 µm.

[0002] Zur Lösung der Aufgabe, einen feinkörnigen Feststoff mit einer Kornverteilung von 0 bis maximal 50 µm in ein Feingut und ein Grobgut bei einer Trenngrenze unterhalb von etwa 10 µm zu trennen, werden bevorzugt Hydrozyklone eingesetzt, in denen durch die Einwirkung von Fliehkraft, Wandreibung und Schleppkraft einer Flüssigkeit auf die Feststoffpartikel diese Trennung erzielt wird. Infolge der systembedingten verwickelten Strömungsverhältnisse in einem Hydrozyklon ist jedoch eine scharfe Trennung bei einer bestimmten Korngröße nicht möglich, so daß der Überschneidungsbereich, d.h. der Korngrößenbereich, der sowohl im Feingut als auch im Grobgut enthalten ist, meist unerwünscht groß ist.

[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in ein Feingut und ein Grobgut anzugeben, die in wirtschaftlicher Weise eine scharfe Trennung insbesondere im Korngrößenbereich unterhalb von etwa 10 µm ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird der feinkörnige Feststoff in einer tropfbaren Flüssigkeit dispergiert und die Dispersion in eine definierte Senkenströmung mit überlagerter, unabhängig von der Senkenströmung erzeugter Rotationsströmung gezwungen. Das Verhältnis der dabei unabhängig voneinander einstellbaren Geschwindigkeiten von Senken- und Rotationsströmung bestimmt die Trennkorngröße bzw. Trenngrenze zwischen Feingut und Grobgut, d.h. die Partikelgröße, für die die durch die Rotation erzeugte Fliehkraft und die durch die Senkenströmung erzeugte Schleppkraft der Flüssigkeit im Gleichgewicht sind, die also mit gleicher Wahrscheinlichkeit in das Feingut oder das Grobgut gelangt.

[0004] Besonders einfach läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch realisieren, daß Senken- und Rotationsströmung in einem rotierend angetriebenen, von außen nach innen durchströmten Abweiserad mit parallel zu seiner Drehachse verlaufenden und Strömungskanäle bildenden Schaufeln erzeugt werden, wobei die Feststoffdispersion dem Abweiserad am Außenumfang aufgegeben wird.

[0005] Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem druckfesten Gehäuse mit Anschlüssen für das Einbringen der Aufgabegutdispersion und das Austragen von Feingut- und Grobgutdispersion, mindestens einem im Gehäuse drehbar gelagerten und angetriebenen Abweiserad und einer Speisepumpe für das Einbringen der Aufgabegutdispersion. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 5 bis 12 dargestellt.

[0006] Die folgenden Ausführungen beschreiben die Erfindung im einzelnen:
Das Abweiserad ist in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet, in das der zu klassierende, in einer Flüssigkeit dispergierte Feststoff - die Aufgabegutdispersion - mit einer Speisepumpe über einen Zulaufanschluß gefördert wird. Die Dispersion durchströmt das rotierende Abweiserad von außen nach innen, wobei die Trennung des Feststoffs in Feingut und Grobgut stattfindet. Partikel, bei denen die durch die strömende Flüssigkeit ausgeübte Schleppkraft kleiner ist als die durch die Rotation des Abweiserades induzierte Fliehkraft, können nicht in das Innere des Rades gelangen und werden abgewiesen. Partikel, bei denen die Schleppkraft größer ist als die Fliehkraft, gelangen mit der Flüssigkeit in das Innere des Rades. Dieser Teil der Dispersion enthält somit die Feingutfraktion und verläßt das Gehäuse der Trennvorrichtung durch einen Austragsanschluß, der sich an den Innenraum des Abweiserades anschließt. Durch einen zweiten Austragsanschluß verlassen die abgewiesenen Partikel mit dem restlichen Teil der Flüssigkeit als Grobgutdispersion das Gehäuse.

[0007] Durch die Rotation des Abweiserades muß die Feingutdispersion beim Durchströmen des Rades entgegen der Fliehkraft einen relativ hohen Druck überwinden. Dieser Druck, der je nach Betriebszustand in der Größenordnung von 3 bis 20 bar liegt, wird durch die Speisepumpe aufgebracht. Dieser Belastung entsprechend muß das Gehäuse der Trennvorrichtung und ebenso die Lagerung der Antriebswelle für das Abweiserad druckfest ausgeführt sein; für letztere ist dabei in den meisten Fällen die Verwendung einer Gleitringdichtung erforderlich.

[0008] Die die Trennkorngröße bestimmenden Betriebsgrößen sind die Umfangsgeschwindigkeit des Abweiserades und die radiale Strömungsgeschwindigkeit in dessen durch Schaufeln gebildeten Strömungskanälen. Die Umfangsgeschwindigkeit kann bei gegebenem Außendurchmesser des Abweiserades allein über seine Drehzahl eingestellt werden; die radiale Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus dem freien Strömungsquerschnitt des Abweiserades und dem Volumenstrom der Feingutdispersion. Dieser zusammen mit dem Volumenstrom der Grobgutdispersion werden durch die Zulaufmenge der Aufgabegutdispersion bestimmt, die über die Förderleistung der Speisepumpe eingestellt wird. Da die Feingutdispersion für gewöhnlich frei auslaufen soll, erfolgt die Einstellung ihres Volumenstroms indirekt über die Zulaufmenge und das Teilungsverhältnis der Volumenströme von Feingut- und Grobgutdispersion. Die Änderung dieses Teilungsverhältnisses erfolgt dadurch, daß der Volumenstrom der Grobgutdispersion verändert wird, z.B. durch Ändern des Austragsquerschnittes oder durch dosiertes Abpumpen der Grobgutdispersion.

[0009] Die Drehachse des Abweiserades liegt im einfachsten Fall in der Achse eines rotationssymmetrischen, z.B. zylindrischen Gehäuses, in dem die Flüssigkeit und der darin dispergierte Feststoff ohne besondere Maßnahmen gleichmäßig mit dem Abweiserad mitrotiert. Wird insbesondre bei einem zylindrischen Behälter der radiale Abstand zwischen der Innenwand des Behälters und dem Umfang des Abweiserades klein gehalten, erreicht man eine gleichmäßige Anströmung des Abweiserades über dessen gesamte Länge. Kurzschlußströmungen und Rückströmeffekte können so wirkungsvoll vermieden werden. Optimale Strömungsverhältnisse werden erreicht, wenn der radiale Abstand zwischen Innenwand und Radumfang weniger als 10 % des Durchmessers des Abweiserades beträgt.

[0010] In schwierigeren Fällen oder bei Einsatz mehrerer Abweiseräder im gemeinsamen Gehäuse, wenn sehr feine Trennungen und hohe Durchsatzleistungen gefordert werden, kann es von Vorteil sein, die Abweiseräder mit besonderen Einrichtungen zu versehen, z.B. mit rotierenden Ringscheiben, die eine gleichmäßige Vorbeschleunigung von Flüssigkeit und Feststoff bereits im Außenbereich der Abweiseräder bewirken.

[0011] Der Abschluß für die Aufgabegutdispersion kann oberhalb, unterhalb oder im Bereich des Abweiserades am Gehäuse angebracht sein, wobei eine tangentiale Einmündung mit Einströmung in Drehrichtung des Abweiserades die Vorbeschleunigung von Flüssigkeit und Feststoff begünstigt. Ein zusätzlicher Vorklassiereffekt läßt sich erreichen, wenn der Anschluß für die Aufgabegutdispersion mit Einströmung in axialer Richtung am unteren Ende des Gehäuses und zentral dazu angeordnet wird. Grobe Partikel werden dadurch in die Nähe der Gehäusewand getragen, so daß sie das Abweiserad nicht mehr belasten, sondern direkt ausgetragen werden. Ein längerer Strömungsweg, z.B. durch ein sich vom Anschlußquerschnitt auf den Gehäusequerschnitt erweiterndes, konisches Gehäuseteil, kann den Vorklassiereffekt noch verbessern.

[0012] Das Abweiserad kann in bekannter Weise als zylindrisches Schaufelrad mit freiem Innenraum ausgeführt sein. Die sich in diesem Innenraum ausbildende Potentialwirbelströmung erzeugt jedoch einen hohen Druckverlust, so daß der Einsatz eines solchen Abweiserades nur bei niedrigen Drehzahlen sinnvoll ist, d.h. für relativ grobe Trennungen bei kleinen Durchsätzen.

[0013] Mit einem Abweiserad, bei dem sich radial ausgerichtete Schaufeln vom Umfang bis in den Bereich der Drehachse des Abweiserades erstrecken, kann die Ausbildung der Potentialwirbelströmung verhindert werden. Der Trennvorgang erfolgt nun in einem sogenannten Festkörperwirbel, dessen höchste Umfangsgeschwindigkeit im Gegensatz zur Potentialwirbelströmung an der Außenkante der Schaufeln liegt. Der Druckverlust ist erheblich geringer, dabei unabhängig vom Volumenstrom und ausschließlich von der Drehzahl des Abweiserades abhängig. In überraschender Weise wurde gefunden, daß mit einem Abweiserad mit Festkörperwirbel feinere Trennungen mit höherem Feingutauszug bei gleichzeitig größeren Durchsatzleistungen als bei einem Abweiserad mit Potentialwirbel erreicht werden können.

[0014] Für eine optimale Trennwirkung eines Abweiserades ist eine möglichst vollständige Vorbeschleunigung von Flüssigkeit und Feststoff vor dem Eintritt in die Schaufelkanäle des Abweiserades erforderlich; dies gilt insbesondere bei Anwendung eines Abweiserades mit Festkörperwirbel. In der Regel wird durch eine geeignete Anordnung des Anschlusses für die Aufgabegutdispersion eine meist ausreichende Vorbeschleunigung erreicht. Wo dies nicht der Fall ist, helfen z.B. fest mit dem Abweiserad verbundene, sich vom Umfangsbereich des Abweiserades radial nach außen erstreckende Ringscheiben, die mit axialem Abstand zueinander und koaxial zur Drehachse des Abweiserades angeordnet sind. Diese Ringscheiben bewirken durch ihren Mitnahmeeffekt eine gleichmäßige und vollständige Vorbeschleunigung bis zum Eintritt in die Schaufelkanäle.

[0015] Neben der Vorbeschleunigung ist auch eine gleichmäßige Durchströmung des Abweiserades für eine optimale Trennwirkung bestimmend. Vor allem bei einem Abweiserad mit Festkörperwirbel läßt sich die Durchströmung durch rotationssymmetrisch ausgebildete und koaxial zum Abweiserad angeordnete Formkörper verbessern, wobei sich die radial ausgerichteten Schaufeln des Abweiserades von dessen Umfang bis zu dem Formkörper erstrecken. Der Formkörper kann z.B. als Zylinder, Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet sein.

[0016] Bei der Klassierung eines in einer Flüssigkeit dispergierten Feststoffes besteht in den meisten Fällen keine Gefahr, daß sich der Feststoff an den von der Dispersion berührten Flächen ansetzt. Daher ist es möglich, bei fliegender Lagerung des Abweiserades die Antriebswelle, bei zweiseitiger Lagerung eine Achse für den Feingutaustrag rohrförmig auszubilden. Eine aufwendige Abdichtung des Feingutaustrittes gegen den Innenraum des Gehäuses kann dann entfallen. Die ausgetragene Feingutdispersion wird in einem Sammler aufgefangen und kann dann frei abfließen. Eine vorteilhafte Ausbildung ergibt sich dabei, wenn der oben erwähnte Formkörper als Teil der hohlen Antriebswelle oder Achse ausgebildet ist und für jeden von den Schaufeln des Abweiserades gebildeten Strömungskanal zumindest eine Öffnung aufweist, durch die Flüssigkeit und Feingut in die hohle Welle oder Achse eintreten kann.

[0017] Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Funktionell gleiche Bauelemente haben in allen Zeichnungen die gleiche Positionsnummer.

[0018] Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung mit zylindrischem Gehäuse 1, an das die Lagerung 8 zur Aufnahme des Abweiserades 3 direkt angeflanscht ist. Das vertikalachsige Abeiserad 3 wird der Riemenscheibe 12 und Hohlwelle 9 angetrieben deren Lager mit einer Wellendichtung 6 gegen den Innenraum des Gehäuses 1 abgedichtet sind. Das zu trennende, in einer Flüssigkeit dispergierte Aufgabegut wird durch Anschluß 2 in das Gehäuse 1 gepumpt, von wo es in das Abweiserad 3 gelangt. Das durch die Trennwirkung des Abweiserades 3 abgetrennte Feingut wird zusammen mit einem Teil der Flüssigkeit als Feingutdispersion durch die Hohlwelle 9 in den feststehenden Feingutsammler 10 ausgetragen und fließt durch Anschluß 4 zur Weiterverwendung ab. Das vom Abweiserad 3 abgewiesene Grobgut strömt mit der restlichen Flüssigkeit durch die im Boden des Gehäuses 1 zentral angeordnete Öffnung 11 in den Grobgutsammler 13 ab, den es durch Anschluß 5 als Grobgutdispersion verläßt. Die Menge der abfließenden Grobgutdispersion kann durch Ändern des Querschnitts der Öffnung 11 gesteuert werden; dazu dient hier der axial verstellbare Schieber 7.

[0019] Fig. 2 zeigt eine Variante mit mehreren, horizontalachsigen Abweiserädern 3, die in einem gemeinsamen Gehäuse 1 angeordnet sind. Jedes Abweiserad 3 wird durch einen eigenen (hier nicht dargestellten) Motor über Riemenscheibe 12 angetrieben. Damit ist es möglich, die Drehzahl eines jeden Abweiserades 3 individuell einzustellen, so daß aus einer Aufgabegutdispersion gleichzeitig auch mehrere unterschiedlich zusammengesetzte Feingutdispersionen abgezogen werden können. Vorzugsweise wird diese Variante dazu verwendet, hohe Durchsätze bei niedriger und bei allen Abweiserädern gleicher Trenngrenze zu erreichen.

[0020] In Fig. 3 ist anstelle des geraden Bodens von Gehäuse 1 (Fig. 1) ein trichterförmiges, sich nach unten verjüngendes Bauteil 14 befestigt, an dessen tiefster Stelle der Anschluß 2 für den Zulauf der Aufgabegutdispersion mündet. Gegenüber Fig. 1 sind die Anschlüsse 2 und 5 in ihrer Lage vertauscht. Diese Ausbildung dient dazu, eine Vorklassierung des Aufgabegutes zu erreichen, derart, daß das drehende Abweiserad 3 eine Rotation der eingebrachten Dispersion bewirkt, durch die grobe Partikel noch vor Eintritt in das Abweiserad 3 an die den Innenraum begrenzenden Wände von Bauteil 14 und Gehäuse 1 getragen und dort abgebremst werden, so daß sie nicht mehr in das Abweiserad 3 eintreten können, sondern gleich durch den Anschluß 5 ausgetragen werden. Die Mengeneinstellung für die Grobgutdispersion erfolgt hier durch den direkt in den Anschluß 5 eingesetzten Schieber 7.

[0021] Die Abweiseräder 3 in den Figuren 1 bis 3 bestehen im wesentlichen aus zwei, mit axialem Abstand miteinander verbundenen Begrenzungsscheiben 15, 16, zwischen denen parallel zur Drehachse verlaufende und Strömungskanäle bildende Schaufeln 17 über den Umfang der Scheiben gleichmäßig verteilt sind, wobei sie senkrecht oder unter einem Winkel zum Umfang ausgerichtet sein können. Durch eine zentrale Bohrung in der einen Begrenzungsscheibe 15 wird die Feingutdispersion in die Hohlwelle 9 ausgetragen. Die durch die Außenkanten der Schaufeln 17 bestimmte Umfangsfläche ist eine Zylinderfläche. Sie kann aber auch wie in Fig. 4 als Kegelfläche mit größtem Durchmesser an der Begrenzungsscheibe 15 mit der zentralen Bohrung ausgebildet sein, um eine gleichmäßigere Durchströmung des Abweiserades 3 vor allem im freien Innenraum zu erreichen.

[0022] Die gleiche Aufgabe erfüllt in Fig. 5 der konzentrisch in das Abweiserad 3 eingesetzte und an der Begrenzungsscheibe 16 befestigte kegelförmige Formkörper 18.

[0023] Die Abweiseräder 3 der Figuren 6 und 7 haben wiederum eine zylindrische Umfangsfläche, wobei sich die hier radial ausgerichteten Schaufeln 17 jedoch bis zur Drehachse des Abweiserades 3 erstrecken. Bei dieser Ausführung bildet sich keine Potentialwirbel-, sondern eine
Festkörperwirbelströmung im Abweiserad 3 aus. Am Abweiserad 3 der Fig. 7 sind außerdem noch ebene Ringscheiben 19 mit gleichem gegenseitigen Abstand befestigt, die sich vom Außenumfang des Abweiserades 3 radial nach außen erstrecken und zur Vorbeschleunigung der von außen dem Abweiserad 3 zuströmenden Aufgabegutdispersion dienen.

[0024] Die Figuren 8 und 9 zeigen in Längs- und Ouerschnitt ein Abweiserad 3 mit koaxialem Formkörper in Form eines Zylinders, der als Teil der Hohlwelle 9 ausgebildet ist. Für jeden von zwei benachbarten Schaufeln 17 gebildeten Strömungskanal weist der Formkörper eine Spaltöffnung 20 in Länge der axialen Erstreckung der Schaufeln 17, durch die die Feingutdispersion in die Hohlwelle 9 eintreten kann, von wo sie über den Feingutsammler 10 und Anschluß 4 (Figuren 1 bis 3) aus der Trennvorrichtung abgeführt wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur Trennung eines feinkörnigen Feststoffes in ein Feingut und ein Grobgut, dadurch gekennzeichnet, daß der feinkörnige Feststoff in einer tropfbaren Flüssigkeit dispergiert und die Dispersion in eine definierte Senkenströmung mit überlagerter, unabhängig von der Senkenströmung erzeugter Rotationsströmung gezwungen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkorngröße zwischen Feingut und Grobgut des feinkörnigen Feststoffs durch Wahl des Verhältnisses der Geschwindigkeiten von Senken- und Rotationsströmung eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Senkenströmung die Dispersion durch ein Abweiserad mit parallel zu seiner Drehachse verlaufenden und Strömungskanäle bildenden Schaufeln vom Außenumfang zum Zentrum strömend gepumpt wird und zur Erzeugung der Rotationsströmung das Abweiserad rotierend angetrieben wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem druckfesten Gehäuse (1) mit Anschlüssen für das Einbringen der Aufgabegutdispersion (2) und das Austragen von Feingut- (4) und Grobgutdispersion (5), mindestens einem im Gehäuse (1) drehbar angeordneten und antreibbaren Abweiserad (3) und einer Speisepumpe für das Einbringen der Aufgabegutdispersion (2).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) im wesentlichen als rotationssymmetrischer Behälter ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 mit einem zylindrischen Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand zwischen der Innenwand des Behälters und dem Umfang des Abweiserades weniger als 10 % des Durchmessers des Abweiserades beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß für die Grobgutdispersion (5) am unteren Ende des Gehäuses (1) und zentral dazu angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß für die Aufgabegutdispersion (2) am unteren Ende des Gehäuses (1) und zentral dazu angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt des Anschlusses für die Grobgutdispersion (5) in der Größe einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Anschluß für die Grobgutdispersion (5) eine Saugpumpe mit einstellbarer Förderleistung angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (17) des Abweiserades (3) radial ausgerichtet sind und sich vom Umfang bis in den Bereich der Drehachse des Abweiserades (3) erstrecken.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (17) des Abweiserades (3) radial ausgerichtet sind und sich von dessen Umfang bis zu einem rotationssymmetrisch ausgebildeten und koaxial zum Abweiserad (3) angeordneten Formkörper (18) erstrecken.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (18) ein Teil der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle (9) des Abweiserades (3) ist, der für jeden von den Schaufeln (17) gebildeten Strömungskanal zumindest eine Öffnung (20) für den Feingutaustritt aufweist.

Zeichnung