-
Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung einer Suspension von Teilchen
in einer Trägerflüssigkeit mittels eines Hydrozyklons Im Patent 942 081 sind ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Klassieren von festen Stoffen, insbesondere schlammhaltigen,
groben Teilchen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, in einem Hydrozyklon
beschrieben. Dabei werden die Mischung und Wasser unter Druck in einen Hydrozyklon,
im allgemeinen kegeliger Bauart, eingeführt, der Schlamm abgetrennt und im Hydrozyklonoberlauf
ausgetragen, während die sich schneller absetzenden Festteilchen im Hydrozyklonunterlauf
auslaufen. Nach dem Hauptpatent wird zur Verdrängung des restlichen Schlammes aus
der Fraktion der gröberen Teilchen und zu seinem Austragen zusammen mit der Fraktion
der feineren Teilchen eine zusätzliche Betriebsflüssigkeit unter Druck tangential
in den Umfang des in dem Hydrozyklon umlaufenden Stromes in einem Bereich seines
engeren Durchmessers eingeführt, während die schlammfreien, in der Umfangszone verbleibenden
Teilchen mit der Fraktion der gröberen Teilchen abgezogen werden. Im Hauptpatent
sind weiterhin Vorrichtungen zum Einführen der Hilfsbetriebsflüssigkeit beschrieben,
die eine Mehrzahl tangential am konischen Teil des Hydrozyklons in einer etwa parallel
zur Längsachse der Apparatur verlaufenden Linie angebrachter Zuführungsleitungen
umfassen.
-
Hiervon ausgehend beruht die Erfindung auf einer Anzahl neuer Erkenntnisse.
Zunächst geht die vorliegende Erfindung von der Erkenntnis aus, daß in einem Hydrozyklon
der nach dem Oberlaufaustrag laufende Innenwirbel an einer Ebene beginnt, die zwischen
dem Unterlaufaustrag und dem Oberlaufaustrag liegt. Diese Tatsache macht sich beispielsweise
dadurch bemerkbar, daß Teile, die vom Einlauf herkommend diese Ebene überschritten
haben, nicht mehr zum Oberlaufaustrag gelangen, so daß diese Ebene mit »Nichtumkehrebene«
bezeichnet werden kann. Eine weitere, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis
besteht darin, daß auch für die nach dem Hauptpatent eingeführte Hilfsbetriebsflüssigkeit
diese Anfangsebene des Innenwirbels eine kritische Stelle darstellt. Wird nämlich
die Hilfsbetriebsflüssigkeit oberhalb dieser Ebene eingeführt, so verdrängt sie
die Trägerflüssigkeit und den in ihr gegebenenfalls enthaltenen Schlamm im wesentlichen
in die Oberlauffraktion. Dagegen kann eine derartige Verdrängung nicht mehr stattfinden,
wenn die Hilfsbetriebsflüssigkeit unterhalb dieser kritischen Ebene eingeführt wird.
In diesem Fall besteht ihre Wirkung im wesentlichen darin, den Unterlauf zu verdünnen.
Eine weitere. der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ist die, daß die Wirkung
der eingeführten Hilfsbetriebsflüssigkeit im wesentlichen in der Verdrängung der
Trägerflüssigkeit aus der an der Hydrozyklonwand entlang gleitenden gröberen Fraktion
besteht. Diese Verdrängungswirkung ist am stärksten in der Umgebung der Ebene, an
welcher der Innenwirbel beginnt.
-
Auf Grund dieser Erkenntnisse wird nach der Erfindung die Hilfsbetriebsflüssigkeit
nahe der senkrecht zur Längsachse des Hydrozyklons stehenden Ebene eingeführt, an
welcher der im Hydrozyklon vorhandene, nach dem Oberlaufaustrag laufende Innenwirbel
beginnt. Hierdurch wird erreicht, daß im Vergleich zum Verfahren nach dem Hauptpatent
nur noch eine sehr geringe Menge von Hilfsbetriebsflüssigkeit benötigt wird, um
eine beträchtliche Menge von Einspeiseflüssigkeit und den in ihr enthaltenen restlichen
Schlamm von der Fraktion der sich schneller absetzenden Teilchen zu entfernen, ohne
dabei den Oberlaufstrom durch Hilfsbetriebsflüssigkeit zu verdünnen. Es wird hierdurch
das Verfahren nach der Erfindung, insbesondere für solche Anwendungszwecke besonders
wertvoll, bei welchen eine solche Trennung erfolgen soll, ohne den Oberlauf zu verdünnen,
beispielsweise beim Abtrennen von Kristallen aus ;Mutterlauge u. dgl.
-
Für andere Anwendungszwecke, bei welchen eine Verdünnung des Oberlaufes
bis zu einem gewissen Grad unwesentlich ist, kann die Hilfsbetriebsflüssigkeit auch
oberhalb der oben beschriebenen Nichtumkehrebene eingeführt werden. Der Verdünnungsgrad
des
Oberlaufes ist dabei jedenfalls eine Funktion des Abstandes zwischen dem Unterlaufauslaß
und der Ebene, in welcher die Hilfsbetriebsflüssigkeit eingeführt wird. Es muß dabei
jedoch beachtet werden, daß bei Einführung der Hilfsbetriebsflüssigkeit zwischen
der Nichtumkehrebene und dem Oberlaufauslaß die Menge der Hilfsbetriebsflüssigkeit
um so größer sein muß, je weiter sie von dieser Ebene entfernt eingeführt wird,
um ein Höchstmaß der Verdrängung der Einspeiseflüssigkeit in den Oberlaufstrom zu
erreichen.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird die
Hilfsbetriebsflüssigkeit an einer senkrecht zur Längsachse des Hydrozyklons stehenden
Ebene eingeführt, die unterhalb des Begiiinens des Innenwirbels liegt. In dieser
Ausführungsform bewirkt die Einführung der Hilfshetriebsflüssigkeit eine kleine
Verdrängungsmenge, aber keinesfalls wird der Oberlaufstrom unter den Einführungsbedingungen
der Hilfsbetriebsflüssigkeit wesentlich durch diese verdünnt. Statt dessen ist die
vorherrschende Wirkung diejenige, daß der Unterlauf verdünnt wird.
-
Zweckmäßig wird in jedem Fall die Hilfsbetriebsflüssigkeit in einer
Menge eingeführt, die etwa dem Flüssigkeitsgehalt der Unterlauffraktion gleich ist.
Da nach der Erfindung die benutzte Hilfsbetriebsflüssigkeit nicht in praktisch bedeutsamen
Mengen in den Oberlauf übertritt, ist es für besondere Anwendungszwecke auch möglich
und zweckmäßig, eine Hilfsbetriebsflüssigkeit anderer Art als die Trägerflüssigkeit
zu benutzen, beispielsweise kann bei der Behandlung einer wässerigen Suspension
eine Hilfsbetrielisflüssigl%.eit benutzt werden, die sich nicht mit Wasser vermischt,
wie Mineralöl, Äther od. dgl. Für andere Zwecke kann es dagegen vorteilhaft sein,
wenn die Hilfsbetriebsflüssigkeit aus der Flüssigkeit besteht, die durch Entfernen
der sich weniger schnell absetzenden Teilchen aus der Oberlauffraktion gewonnen
wird.
-
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zweckmäßig
ein Hydrozyklon konischer Bauart gemäß dem Patent 942 081 benutzt, der gemäß der
Erfindung mit einer Anzahl von Einführungsleitungen für die Hilfsbetriebsflüssigkeit
versehen ist, die am konischen Teil des Hydrozyklons t!nd mit ihren Einlaßöffnungen
in gleichen Abständen voneinander in einer zur Längsachse des Hydrozyklons senkrecht
stehenden Ebene angebracht sind.
-
Es ist ferner für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
vorteilhaft, wenn die Einführungsleitung oder die Einführungsleitungen für die Hilfsbetriebsflüssigkeit
mit geringer Neigung gegen die Apexöffnung in dem konischen Teil des Hydrozyklons
einmünden. Diese Neigung der Einführungsleitungen kann etwa gleich der Neigung der
auf die Apexöffnung gerichteten Spiralbahn des Außenwirbels sein.
-
Auf Grund der oben beschriebenen, sich aus der dein Hauptpatent zugrunde
liegenden Erfindung ergebenden neuen Erkenntnisse können das Verfahren nach dem
Patent 942 081 und das Verfahren nach der Erfindung für die verschiedensten Anwendungsgebiete
benutzt werden, für die bisher die Verwendung von Hydrozyklonen unmöglich war.
-
Das Verfahren nach dem Hauptpatent und das Verfahren nach der Erfindung
eignet sich beispielsweise zum Trennen von in der Trägerflüssigkeit suspendierten
Feststoffteilchen von der Trägerflüssigkeit selbst. wobei die im wesentlichen von
Hilfsbetriebsflüssigkeit unverdünnte Trägerflüssigkeit im Oberlauf abgezogen und
zurückgewonnen wird, während die abgetrennten Feststoffteilchen und die Hilfsbetriebsflüssigkeit
im Unterlauf abgezogen werden.
-
Es ist auch möglich, das Verfahren nach dem Hauptpatent und das Verfahren
nach der Erfindung zum Abtrennen einer Fraktion sich schneller absetzender Teilchen
aus einer Suspension sich schneller absetzender Teilchen und sich weniger schnell
absetzender Teilchen in einer Trägerflüssigkeit anzuwenden, wobei die Fraktion der
sich schneller absetzenden Teilchen mit der Hilfsbetriebsflüssigkeit im Unterlauf
abgezogen wird, während die sich weniger schnell absetzenden Teilchen und die von
der Hilfsbetriebsflüssigkeit im wesentlichen unverdünnte Trägerflüssigkeit als Oberlauffraktion
abgezogen werden.
-
Die Erfindung kann auch vorteilhaft bei der hydraulischen Trennung
nach dem spezifischen Gewicht in Hydrozyklonen benutzt werden, beispielsweise um
die Fraktion der schweren Teilchen zu entschlammen, flüssige Medien mittleren spezifischen
Gewichtes von der Fraktion schwerer Teilchen oder dem Unterlauf zu entfernen, um
Suspensionsmedien in der Fraktion leichter Teilchen oder dem Oberlauf im wesentlichen
von Hilfsbetriebsflüssigkeit unverdünnt und im wesentlichen frei von schweren Teilchen
des Unterlaufes zurückzugewinnen usw.
-
Die Erfindung kann auch in verschiedensten, den besonderen Fällen
angepaßten Formen ausgeführt werden, ohne dabei vom wesentlichen Erfindungsgedanken
abzugehen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher auf jeden Fall als erläuternd
und nicht beschränkend anzusehen.
-
Die weitere Beschreibung dieser Ausführungsformen geschieht an Hand
der Zeichnung, in welcher Fig.1 eine schematische Funktionszeichnung ist und einen
Hydrozyklon gemäß der Erfindung im Schnitt zeigt, Fig. 2 eine schematisierte, geschnittene
Darstellung eines Hydrozyklons ist und eine andere Ausführungsform der Erfindung
wiedergibt, in der die Hilfsbetriebsflüssigkeit stufenweise eingeführt wird, und
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des unteren Teiles der konischen Kammer
des Hydrozyklons mit einer Mehrzahl von Einleitungen für die Hilfsbetriebsflüssigkeit
ist, die alle in einer der unteren Austrag- (Apex-) Öffnung benachbarten Ebene liegen.
-
Nach Fig. 1 und 2 umfaßt der im wesentlichen konische Hydrozyklon
20 in bekannter Weise eine obere zylindrische Kammer 21, der die konische Kammer
22 gegenüberliegt und die an ihrem oberen Rand den Endverschlußtei123 mit dem mit
seinem unteren Ende 25 bis unterhalb der Einmündung der Einspeiseleitung 26 in den
Hydrozyklon ragenden röhrenförmigen Wirbelsucher 24 besitzt. Das unterste Ende der
konischen Kammer 22 und zugleich der Punkt kleinsten Radius stellt in bekannter
Weise den Apexauslaß 34 dar.
-
Unter den im Hydrozyklon 20 herrschenden bekannten Bedingungen werden
die sich schneller absetzenden Teilchen 32 der eingespeisten Suspension gegen die
Umfangswand der konischen Kammer 22 geschleudert, während die sich weniger schnell
absetzenden Teilchen 33 in den Innenwirbel 39 geschwemmt werden. Der Außenwirbel
30 der sich schnell absetzenden Teilchen in der Suspension läuft an der Apexöffnung
34 aus, während der Innenwirbel 39 der sich weniger schnell absetzenden Teilchen
in der Suspension durch den Wirbelsucher 24 ausläuft.
Jedoch verhalten
sich, wie bereits im Hauptpatent gezeigt wird, bei Entschlammungsvorgängen die Schlammteilchen
39. unter diesen Bedingungen wie etwa in der Einspeiseflüssigkeit gelöst (die hier
auch mitunter als Trägerflüssigkeit angesprochen wird) und erscheinen daher in den
an jedem Auslaß ausgetragenen Fraktionen im direkten Verhältnis wie die Menge der
in jeder Fraktion verbliebenen Einspeiseflüssigkeit.Wenn auch der größere Teil der
Schlammteilchen 31, wie bei 37 dargestellt, in den Innenwirbel 39 geschwemmt wird,
so bleibt demnach doch beim herkömmlichen Hydrozyklon ein beachtlicher Teil der
Schlammteilchen im Äußenwirbe130 und wird zusammen mit der Fraktion der sich schnell
absetzenden Teilchen am Apexauslaß 34 ausgetragen; wird jedoch eine Hilfsbetriebsflüssigkeit
unter Druck und geregelt in die konische Kammer 22 eingeführt, beispielsweise durch
eine Einlaßvorrichtung 40, so wird die Einspeiseflüssigkeit vom Außenwirbel 30 in
den Innenwirbel 39 gezwungen, und mit ihr werden die in ihr enthaltenen Schlammteilchen
weggetragen, wie dies durch den Pfeil 38 angedeutet ist. Auf diese Weise
wird die bei 34 ausgetragene Fraktion der sich schneller absetzenden Teilchen gewaschen.
-
Der höchste Wascheffekt, d. h. der Höchstbetrag des Waschens bei einer
Mindestmenge eingeführter Hilfsbetriebsflüssigkeit wird dann erreicht, wenn die
Hilfsbetriebsflüssigkeit unter Druck und geregelt dicht bei der Nichtumkehrebene
in die konische Kammer 22 eingeführt wird. Der Abstand H dieser Ebene vom Apexauslaß
34 hängt von vielen Veränderlichen ab, deren eine die Menge der eingeführten Hilfsbetriebsflüssigkeiten
ist; aber er kann annähernd mittels folgender Formel bestimmt werden:
Dabei ist T die Unterlaufflußmenge (in Vulumeneinheiten), Qf die Einspeiseschlamm-Flußmenge,
Q" die Hilfsbetriebsflüssigkeits-Flußmenge und D der Abstand zwischen dem Wirbelsucher
und dem Apexauslaß.
-
Nach Fig.2 wird die Hilfsbetriebsflüssigkeit in die konische Kammer
22 durch die Einlaßvorrichtung 42 eingeführt, die oberhalb dieser Nichturnkehrebene,
d. h. der Ebene höchster Waschwirkung, gelagert ist. Ein Waschen mit gleichzeitigem
Entschlammen findet auch so statt, jedoch ist es nicht so wirksam; mit anderen Worten,
es muß eine größere Volumenmenge von Hilfsbetriebsflüssigkeit eingeführt werden,
um den gleichen Waschungsgrad zu erreichen. Nach Fig. 2 kann die Hilfsbetriebsflüssigkeit
auch geregelt und unter Druck unterhalb der Ebene höchster Waschwirkung und oberhalb
des Apexauslasses 34 über eine Einlaßvorrichtung 41 in die konische Kammer 22 eingeleitet
werden. Auch hier ist das Waschen nicht so wirkungsvoll auf Grund der Schwierigkeit,
die Trägerflüssigkeit mit dem in ihr gegebenenfalls enthaltenen Schlamm, wenn überhaupt,
gegen den Strom der Fraktion sich schnell absetzender Teilchen in den Innenwirbel
39 zu zwingen. Ein Teil dieser Hilfsbetriebsflüssigkeit verdünnt aber die
Fraktion der sich schneller absetzenden Teilchen, die im Unterlauf ausgetragen wird.
Diese Verdünnung ist besonders wichtig, wo die Fraktion der sich schnell absetzenden
Teilchen das Bestreben hat, den Unterlaufauslaß 34 zu verengen oder zu verstopfen.
Bei der Einführung der Hilfsbetriebsflüssigkeit an jedem beliebigen Punkt, jedoch
bei einer innerhalb der später näher erläuterten Grenzen geregelten Einführung wird
durch diese Einführung weder ein nennenswerter Verlust der sich schneller absetzenden
Teilchen in den Oberlauf noch eine wesentliche Verdünnung des Oberlaufes durch solche
Hilfsbetriebsflüssigkeit verursacht.
-
Es ist dringend notwendig, daß die Hilfsbetriebsflüssigkeit unter
gewissen kritischen Bedingungen in die konische Kammer des Hydrozyklons eingeführt
wird. Beispielsweise sollte der Druck, unter welchem die Hilfsbetriebsflüssigkeit
eingeführt wird, mindestens hinreichend groß sein, um die Flüssigkeit in den Außenwirbel
einzupressen, aber nicht hinreichend groß, um die Stromlinien in der konischen Kammer
auseinanderzureißen, so daß eine nennenswerte Menge sich schneller absetzender Teilchen
im Oberlauf ausgetragen werden und die Hilfsbetriebsflüssigkeit sowohl den Unterlauf
kurzschließt als den Oberlauf möglicherweise verdünnt. In gleicher Weise ist auch
das Volumen der eingeführten Hilfsbetriebsflüssigkeitsinenge kritisch. Es ist an
seiner Mindestgrenze hinreichend, um einen wesentlichen Wascheffekt hervorzurufen,
aber nicht hinreichend, um das Austragen sich schnell absetzender Teilchen im Oberlauf
und eine wesentliche Verdünnung des Oberlaufes durch Hilfsbetriebsflüssigkeit hervorzurufen.
-
Zur Erzielung des höchsten Wascheffektes besteht eine Menge kritischer
Bedingungen, von welchen bereits einige angeführt worden sind. Die übrigen sind
wie folgt zu benennen: Beispielsweise sollte die Hilfsbetriebsflüssigkeit tangential
eingeführt werden und ferner vorzugsweise mit dem gleichen Winkel, mit dem der Fluß
des Außenwirbels am jeweiligen Einführungspunkt, nach dem Apexauslaß hin gerichtet
ist. Eine andere Bedingung für höchste Waschwirkung besteht darin, daß die Eingangsgeschwindigkeit
der Hilfsbetriebsflüssigkeit etwa gleich derjenigen des Außenwirbels am Einführungspunkt
ist. Falls die Eingangsgeschwindigkeit zu groß oder zu gering ist, wird nicht allein
der Überlauf mit Hilfsbetriebsflüssigkeit verdünnt, sondern auch mehr Einspeiseflüssigkeit
und in ihr enthaltener Schlamm, falls dies der Fall ist, im Unterlauf erscheinen.
Eine weitere Bedingung für höchste Waschwirkung ist diejenige, daß die Einführungsmenge
der Hilfsbetriebsflüssigkeit mit ihrem Höchstwert gerade noch etwas weniger ist,
als daß sie den Betrieb des Hydrozyklons unstabil macht. Diese Menge ist von vielen
Veränderlichen abhängig, aber sie kann annähernd bestimmt werden. So bestimmt sich
die Höchstvolumenmenge (V) der eingeführten Hilfsbetriebsflüssigkeit in irgendeiner
gegebenen Normalebene zur Längsachse des Hydrozyklons nach folgender Formel:
Dabei ist d der Abstand der Einführungsebene vom Apexauslaß, D der Abstand zwischen
dem Unterlaufauslaß und dem Oberlaufauslaß, Q f die Schlammeinspeise-Vulumenmenge,
Q, die Hilfsbetriebsflüssigkeits-Volumenmenge, Su die Volumenmenge der Unterlaufteilchen
und h' die Volumenmenge der Hilfsbetriebsflüssigkeit, die zusätzlich oder in anderer
Weise irgendwo in die konische Kammer eingeführt wird.
-
Die Hilfsbetriebsflüssigkeit kann die gleiche sein wie die Trägerflüssigkeit,
oder sie kann auch eine sich in ihrer Art von der Trägerflüssigkeit unterscheidende
Flüssigkeit sein. Falls die Flüssigkeiten die gleichen sind, kann der Oberlauf aus
einem
U'aschliydr ozyklon nach der Erfindung nach einer Behandlung
durch Schwerkraftabsetzen oder andere Methoden. um die feinen und Schlammteilchen
zu entfernen, wieder als Hilfsbetriebsflüssigkeit oder zusätzliche Hilfsbetriebsflüssigkeit
in den Hydrozyklon eingeführt werden.
-
Die Erfindung kann daher zum Auswaschen einer Trägerflüssi ykei t
aus wertvollen, sich schnell absetzenden Teilchen benutzt werden, indem eine Hilfsbetriebsflüssigkeit
eingeführt wird, die sich in ihrer Art von der Trägerflüssigkeit unterscheidet.
In ähnlicher U'eise kann die Erfindung auch dazu benutzt werden, Teilchen aus einer
wertvollen Suspensionsflü ssigkeit oder Trägerflüssigkeit auszuwaschen und diese
Flüssigkeit im Oberlauf im v:-esentlichen von Hilfsbetriebsflüssigkeit unverdünnt
zurückzugewinnen..
-
Nach Fig. 3 wird eine Mehrzahl von Einlaßvorrichtungen zum Einführen
der Hilfsbetriebsflüssigkeit benutzt. Hiernach sind die Einlaßrohre 43 tangential
so an die konische Kammer 22 angeschlossen, daß ihre Einlässe 44 mit gleichem Abstand
voneinander um die konische Kammer 22 verteilt sind und in der gleichen Normalebene
zur Längsachse des Hydrozyklons liegen. Diese Ebene liegt vorzugsweise geringfügig
oberhalb der Ebene höchster Waschwirksamkeit, um derHilfsbetriebsflüssigkeitgenügend
Zeit zu geben, um in die Zwischenräume zwischen den sich schneller absetzenden Teilchen
im Außenwirbel einzutreten und die Trägerflüssigkeit mit den gegebenenfalls in ihr
enthaltenen Schlammteilchen in der Ebene höchsten Wascheffektes zu verdrängen, Diese
Ausführungsform hat gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 4 des Hauptpatents den
Vorteil, daß eine wirkungsvollere Anwendung der Hilfsbetriebsflüssigkeit möglich
gemacht wird.