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Vorrichtung zur Trennung von Korngemischen durch Fluidisierung Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung fluidisierbarer Korngemische unterschiedlicher
Dichte und/oder Korngröße durch Fluidisierung in einer Trennkammer mit einer für
das Fluidisierungsmedium durchlässigen Grundplatte als Boden.
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Das Problem der Trennung von Körnern eines Gemisches in Abhängigkeit
von ihrer Dichte oder ihrer Korngröße tritt häufig auf. Es sind zahlreiche Vorrichtungen
bekannt, die diesem Zwecke dienen; einige von ihnen benutzen die Verfahrenstechnik
der Fluidisierung.
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Wenn man in ein Rohr eine zu trennende Mischung von festen Stoffen
einbringt und in dem Rohr eine Flüssigkeit oder ein Gas mit einer solchen Geschwindigkeit
aufwärts strömen läßt, daß die Mischung ausreichend aufgelockert (expandiert) wird,
um zwischen ihren Körnern Relativbewegungen zu ermöglichen, d. h. sie in Fluidisation
zu versetzen, tritt bekanntlich nach einer gewissen Zeit bei passender Geschwindigkeit
eine Trennung der Bestandteile der Mischung ein, indem sich die einen Bestandteile
im oberen, die anderen im unteren Teil des Rohres sammeln. In einem Zwischenbereich
liegt eine Mischung der beiden Bestandteile vor.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Entwicklung einer Vorrichtung
zur Aufgabe gestellt, die auf diesem Prinzip beruht und die kontinuierlich betrieben
und automatisch geregelt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine
weitere Kammer vorgesehen ist, die durch eine Wand von der Trennkammer abgeteilt
ist, jedoch an ihrem oberen und unteren Ende bei und mit der Trennkammer in Verbindung
steht und die Grundplatte mit dieser gemeinsam hat, sowie einen überlauf aufweist,
welcher entsprechend dem Gleichgewicht in der scheinbaren Wichte pro Querschnittseinheit
der in den Kammern befindlichen fluidisierten Stoffe unterhalb des Überlaufs liegt.
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Vorzugsweise sind die beiden Kammern konzentrisch ineinander angeordnet.
Die Überläufe können durch Bleche in der Höhe verstellbar sein.
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Die Einführung des zu entmischenden Materials und seine Trennung erfolgt
in der ersten Kammer etwa in Mittelhöhe. Das Fluidisierungsmedium ist eine Flüssigkeit,
die durch die Grundplatte in die beiden Kammern eingeführt wird, und zwar derart,
daß in den Kammern ein Fluidisierungszustand ausgebildet wird, der relative Bewegungen
zwischen den Körnern im Sinne ihrer Entmischung gestattet. Die Materialien werden
- wie gesagt - in der ersten Kammer auf höherem Niveau gehalten als in der zweiten,
und der Niveauunterschied wird so gewählt, daß die scheinbaren Wichte im Fluidisierungsmedium
pro Querschnittseinheit in beiden Kammern gleich sind.
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Unter diesen Bedingungen entsteht in dem Bereich, in welchem die Materialien
eingeführt werden (vorzugsweise etwa in mittlerer Höhe der Kammer) eine Zwischenzone,
die eine Mischung der Materialien enthält und in der die Trennung bewirkt wird.
Dabei wandert der eine der Bestandteile zum oberen Teil der Kammer, wo er über einen
zu diesem Zweck vorgesehenen Ausgang abgezogen wird, der andere Bestandteil dagegen
sammelt sich am Boden der Kammer, wo er über die am Fuß der Trennwand vorgesehene
Verbindungsöffnung in die zweite Kammer übergeht. In der zweitem Kammer wird er
nach oben mitgeführt, und dort wird er über den zu diesem Zweck vorgesehenen Ausgang
abgezogen.
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In den meisten Fällen sind es die schweren oder großen Körner, die
sich in der zweiten Kammer sammeln, wo sie in Höhe des unteren Ausganges austreten,
während die leichten oder feinen Körner in der erste Kammer in Höhe des oberen Ausganges
austreten.
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Nach der Erfindung wird die Geschwindigkeit des in die beiden Kammern
einzuführenden Fluidisierungsmediums etwa gleich der Fluidisierungsgeschwindigkeit
der
schweren oder großen Bestandteile gewählt, so daß die leichten oder feinen Körner,
die sich in dem oberen Teil der Trennkammer sammeln, einer Strömungsgeschwindigkeit
ausgesetzt sind, die größer ist als ihre kleinste Fluidisierungsgeschwindigkeit.
Das Minimum dieser Geschwindigkeit verringert sich mit der Dichte und/oder der Größe
der Körner.
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Bekanntlich hängt bei der Fluidisierung mit flüssigem Medium das Größenverhältnis
der Zwischenräume zum Kornraum und folglich der Ausdehnungsgrad weitgehend von der
Geschwindigkeit der Flüssigkeit ab. Daraus ergibt sich, daß die von den leichten
oder feinen Körnern im oberen Teil der Trennkammer gebildete Wirbelschicht stärker
expandiert ist als die anderen Wirbelschichten, die im einzelnen gebildet werden
von der Kornmischung (Zwischenzone der Trennung) und von den schweren oder großen
Körnern am Boden der Trennkammer und in der Gesamtheit der zweiten Kammer. Wenn
sich die Oberflächen der Wirbelschichten in beiden Kammern auf gleichem Niveau befänden,
hätten deshalb die Stoffe in der ersten Kammer eine kleinere scheinbare Wichte pro
Flächeneinheit als die Stoffe in der zweiten Kammer. Es ist deshalb gemäß der Erfindung
zur Einstellung des Gleichgewichtes der beiden Säulen als Bedingung für ein kontinuierliches
Arbeiten notwendig, daß das Niveau der Materialien in der ersten Trennkammer höher
ist als das Niveau der Materialien in der zweiten Kammer.
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In gewissen Ausnahmefällen kann sich die Veränderung der scheinbaren
Dichten der beiden Materialien bei der Fluidisation in flüssigem Medium so auswirken,
daß es die leichten Stoffe sind, die aus der zweiten Kammer am unteren Ausgang austreten,
während die schweren oben aus der ersten Kammer austreten. Dies erklärt sich daraus,
daß gewisse Stoffe die Eigenschaft haben, zwar schwerer zu sein als andere, jedoch
im Wirbelzustand eine geringere scheinbare Dichte zu zeigen. Beispielsweise hat
Sand, dessen Dichte 2,8 beträgt, im fluidisierten Zustand eine scheinbare Dichte
von 1,5, während gebrannte Tonerde, die eine höhere Dichte von 3,8 hat, im fluidisierten
Zustand eine geringere scheinbare Dichte von 1 aufweist.
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Die beschriebene Trennung läßt sich kontinuierlich durchführen, weil
nach dem Verfahren der Erfindung die Zwischenzone automatisch geregelt wird, und
zwar in folgender Weise: Wenn aus irgendeinem Grund die Zwischenzone die Tendenz
zeigt, sich in der Trennkammer nach oben zu bewegen, d. h. wenn sie an fluidisierten
Materialien niedriger scheinbarer Dichte verarmt und sich an fluidisierten Materialien
höherer scheinbarer Dichte anreichert, wird die scheinbare Wichte pro Flächeneinheit
der Säule der in dieser Kammer befindlichen Materialien steigen.
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Unter diesen Bedingungen werden mehr Körner aus dem unteren Teil der
ersten Kammer durch die Öffnung am Fuß der Trennwand in die zweite Kammer übergehen.
Dadurch ergibt sich, daß die Zwischenzone, die die Tendenz zu steigen hatte, wieder
herabsinkt und dazu neigt, in ihre Gleichgewichtslage zurückzukehren.
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Umgekehrt liegt der Fall, wenn die Zwischenzone die Tendenz zu sinken
hat, was eine Anreicherung der ersten Kammer am fluidisierten Material geringer
scheinbarer Dichte entspricht. Dann werden weniger Körner aus dem unteren Teil der
ersten Kammer in die zweite Kammer übergeführt, derart, daß mehr Körner aus dem
oben in der ersten Kammer angeordneten Ausgang abgezogen werden und die Zwischenzone
ihre Gleichgewichtslage wieder einnimmt.
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Die Aufrechterhaltung eines Niveauunterschiedes der Materialien, dergestalt,
daß die scheinbaren Wichte pro Flächeneinheit in den beiden Kammern gleich sind,
wird durch eine geeignete Anordnung der jeweiligen Ausgänge erreicht, was das wesentliche
Kennzeichen der Erfindung bildet. Dieser Niveauunterschied (in Relation zu der scheinbaren
Wichte der Materialsäulen) ist die notwendige Bedingung der automatischen Regelung,
die den Betrieb der Vorrichtung bei kontinuierlicher Zufuhr ermöglicht, ohne daß
eine ständige Kontrolle der Arbeitsgänge erforderlich wäre.
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Die kaskadenförmige Hintereinanderschaltung mehrerer Vorrichtungen
gestattet die Trennung von Produkten, die mehr als zwei Bestandteile enthalten,
nach ihrer Dichte oder Korngröße.
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Im nachfolgenden ist eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der
Zeichnungen beispielsweise beschrieben und dargestellt.
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F i g. 1 ist eine axial geschnittene schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Trennvorrichtung, wobei zur Verdeutlichung die Körner größer und
weiter voneinander entfernt dargestellt sind, als es in Wirklichkeit der Fall ist;
F i g. 2 ist eine perspektivische Schemazeichnung dieser Vorrichtung, zum Teil geschnitten.
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Die Vorrichtung umfaßt zwei senkrechte, konzentrische, zylinderförmige
Kammern 1 und 2, die durch eine Wand 3 getrennt sind und eine gemeinsame Basis aufweisen,
die durch die Grundplatte 4 gebildet wird.
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Die beiden Kammern stellen untereinander in Verbindung, und zwar einerseits
au ihrem unteren Ende unmittelbar über der Grundplatte bei 5 durch eine ringförmige
Öffnung und andererseits an ihrem oberen Ende bei 6.
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Die Einführung der zu.trennenden Stoffmischung, die beispielsweise
zwei Bestandteile M1 (schwer) und M2 (leicht) umfaßt, in die Kammer 1 erfolgt bei
B.
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Bei D1 ist der überlauf aus der Kammer 1 angedeutet, über den der
leichte Bestandteil abgezogen wird, und DE ist der überlauf aus der Kammer 2, über
den der schwere Bestandteil abgezogen wird.
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Die im vorliegenden Beispiel durch Wasser gebildete Trennflüssigkeit
tritt bei 7 in Richtung des Pfeiles F ein und wird über den überlauf D abgezogen,
der für eine konstante Flüssigkeitshöhe in der Vorrichtung sorgt.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Man führt bei 7 in die Kammer
9 eine Flüssigkeitsmenge Q ein, die sich beim Durchgang durch den Rost 4 in zwei
Flüssigkeitsmengen q1 und q2 teilt, deren Geschwindigkeiten etwa gleich sind und
die jeweils in die beiden Kammern 1 und 2 eintreten.
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Die Flüssigkeitsmenge Q, die unter der Grundplatte 4 eingeführt wird,
ist so gewählt, daß die Strömungsgeschwindigkeiten der Mengen q1 und q2 um ein geringes
größer sind als die Mindest-Fluidisierungsgeschwindigkeit des schweren Bestandteiles
und folglich höher als die Fluidisierungsgeschwindigkeit des leichten Bestandteiles.
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Die Materialien in den beiden Kammern werden somit im Zustand der
Fluidisierung und auf einem
solchen Expansionsgrad gehalten, daß
Relativbewegungen zwischen den Körnern stattfinden können.
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Unter diesen Bedingungen bildet sich in der Kammer 1 in der Nähe der
Einführungsstelle der Materialien eine Trennungszwischenzone 9, in der sich eine
Mischung der beiden Bestandteile M1 und M2 befindet, wovon der eine schwer, der
andere leicht ist.
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Von dieser Zwischenzone ausgehend, wo die Relativbewegung der Körner
gegeneinander stattfindet, steigen die leichten Bestandteile in den oberen Teil
der Trennkammer 1, wo sie über den Durchlauf Dl entfernt werden.
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Die schweren Produkte sammeln sich am Boden der Kammer 1 und gelangen
über den Durchgang S in die Kammer 2, in der sie nach oben steigen, bis sie über
den überlauf D2 entfernt werden.
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Wie man sieht, enthält die eigentliche Trennkammer 1 die beiden Bestandteile
der Mischung, und zwar im oberen Teil den leichten Bestandteil, in der Mitte eine
Zwischenzone mit der Mischung und am Boden den schweren Bestandteil. Die Kammer
2 dagegen enthält nur den schweren Bestandteil.
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Die Standhöhe h, der Materialien in der Kammer 1 übersteigt die Standhöhe
h2 des Materials in der Kammer 2, denn die scheinbare Wichte pro Querschnittseinheit
ist, wie bereits dargelegt wurde, im oberen Teil dieser Kammer 1 deutlich geringer
als in der Kammer 2 und erfordert deshalb eine Niveaudifferenz, damit die beiden
Säulen im Gleichgewicht sind. Die Überläufe Dl und D2 sind somit auf diesen Niveaus
hl und h2 einzustellen, da sonst die Vorrichtung nicht zufriedenstellend arbeiten
kann.
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Wenn der Höhenunterschied der Überläufe zu groß gewählt wird, ist
die scheinbare Wichte pro Querschnittseinheit in der ersten Kammer (beispielsweise
wenn deren überlauf zu hoch ist), größer als in der zweiten Kammer, was ein Sinken
der Zwischenzone hervorruft, denn nun treten mehr schwere Körner aus dem unteren
Teil der ersten Kammer über den Durchgang am Fuß der Trennwand in die zweite Kammer
über. Sobald sich die Zwischenzone in der Nähe der Öffnung am Fuß der Trennwand
befindet, gelangen mit den schweren Bestandteilen auch leichte Bestandteile in die
zweite Kammer, und die Trennung wird mangelhaft.
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Wenn dagegen der Höhenunterschied der Überläufe zu gering ist, wird
das scheinbare Gewicht pro Querschnittseinheit in der ersten Kammer (beispielsweise
wenn deren überlauf zu niedrig ist), geringer als in der zweiten Kammer, was ein
Steigen der Zwischenzone hervorruft, weil weniger schwere Körner von dem unteren
Teil der ersten Kammer in die zweite übergeführt werden. Sobald die Zwischenzone
sich in der Nähe des Überlaufes der ersten Kammer befindet, werden schwere Körner
mit den leichten über diesen überlauf abgenommen, und die Klassierung ist gestört.
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Im Extremfall befinden sich die beiden Überläufe etwa auf gleicher
Höhe, und die Oberflächen der Wirbelschichten liegen in beiden Kammern auf gleichem
Niveau, und die scheinbare Wichte pro Querschnittseinheit in der zweiten Kammer
ist größer als die scheinbare Wichte pro Ouerschnittseinheit in der ersten Kammer;
die beiden Säulen befinden sich nicht im Gleichgewicht. Dadurch wird ein Absinken
der Standhöhe in der zweiten Kammer hervorgerufen, derart, daß deren überlauf nichts
mehr abgibt. Die Vorrichtung liefert dann über den Überlauf der ersten Kammer die
Mischung, wie sie eingeführt worden ist, ohne daß eine Trennung möglich ist.
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Aus diesem Grunde werden die Höhen der Überläufe gemäß der Erfindung
genau bestimmt, und zwar so, daß ihr Unterschied dem Gleichgewicht der scheinbaren
Wichte pro Querschnittseinheit in den beiden Säulen entspricht, und das wohlgemerkt
für eine geeignete Lage der Zwischenzone zwischen dem unteren Ende der Trennwand
und dem überlauf der ersten Kammer.
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Selbstverständlich können die so definierten Niveaus leicht um die
vorherbestimmten Werte schwanken, jedoch dürfen sie nicht erheblich .davon abweichen,
ohne das gute Funktionieren der VQrrrichtung zu beeinträchtigen.
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Die Vorrichtung arbeitet kontinuierlich ohne besondere Überwachung,
woben die Zwischenzone automatisch in einer konstanten Lage gehalten wird, wie auch
immer der Prozentsatz an schweren oder leichten eingeführten Bestandteilen ist.
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Um die anfängliche Einregelung der Vorrichtung zu erleichtern, kann
man die beiden Kammern 1 und 2 mit Überläufen D1 und D2 ausstatten, die in ihrer
Höhe durch Bleche 10 und 11 verstellt werden können. Dies gestattet ferner die Einstellung
der Vorrichtung während des Betriebes für den Fall, daß sich die Eigenschaften der
zu entmischenden Materialien bei der Fluidisierung ändern.
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Man könnte auch zu demselben Zweck die Überläufe durch zwei Austrittsleitungen
ersetzen, die mit Einrichtungen zur Einstellung des Druckverlustes versehen sind
und die von jeder Kammer in bestimmtem Abstand unterhalb des wahrscheinlichen Niveaus
der Materialien wegführen.
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Unter diesen Bedingungen kann man durch Vergrößern oder Verkleinern
des Druckverlustes in den Entnahmeleitungen die Standhöhe der entsprechenden Säule
erhöhen oder vermindern, derart, da.ß man ihr die gewünschte Höhe gibt, für die
die scheinbaren Gewichte pro Querschnittseinheit sich im Gleichgewicht befinden.
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Im nachstehenden sind als Beispiel die Daten einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung angegeben, die zur Trennung einer Mischung aus einem ersten Produkt
der Dichte 2,65 und der mittleren Korngröße 180 Mikron und aus einem zweiten Produkt
der Dichte 4,25 und der mittleren Korngröße 175 Mikron dient.
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Die Mindest-Fluidisierungsgeschwindigkeit des schweren Produktes war
0,05 cm/sec. In den beiden Kammern 1 und 2 der Vorrichtung wurde deshalb eine Geschwindigkeit
der Größenordnung von 0,1 m/sec eingestellt, um die Fluidisierung stets zu sichern.
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Unter diesen Bedingungen und bei Einstellung der Zwischenzone auf
eine mittlere Höhe von 34 cm oberhalb der Grundplatte 4 wurde ein erfindungsgemäßer
Betrieb erzielt, als der überlauf der ersten Kammer auf eine Höhe hl = 68 cm und
der überlauf der zweiten Kammer auf eine Höhe h2 = 49 cm eingestellt waren.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung gestattet auch eine kontinuierliche
Extrahierun.g von festen Stoffen. Sie kann deshalb bei solchen Behandlungen aneewandt
werden, in denen eine Klassierung nicht der Hauptzweck ist, beispielsweise bei der
Auslauaung eines fein zerkleinerten Sylvinit, das unter Fluidisierung mit einer
Natriumchlorid-Mutterlauge behandelt
wird. Die ausgelaugten feinen
Körner, die schnell von ihrem Kaliumchlorid befreit sind, werden über den oberen
Überlauf entfernt, während die großen Körner, die weniger schnell auszulaugen sind,
über den unteren Überlauf abgezogen werden, nachdem sie einen längeren Weg durchschritten
haben, der es ihnen erlaubt, länger mit der Behandlungsflüssigkeit in Kontakt zu
bleiben.