DE1532707C3 - Trennzentrifuge zum kontinuierlichen Trennen zweier Flüssigkeitsphasen verschiedener Dichte - Google Patents

Description

näle für das Schleudergut in eine von zwei Trennwänden gebildete Trennkammer münden.

Durch diese Ausbildung ist der Grundgedanke der Erfindung verwirklicht, nämlich einerseits durch schlagartige Beschleunigung des Schleuderguts bereits in der Schleudergutkammer und durch Unterteilung der Trennkammern in einzelne Sektoren jegliche Umfangsströmung der Flüssigkeiten in den Trennkammern zu unterbinden und andererseits die Strömungswege für die leichte Flüssigkeitsphase und die schwere Flüssigkeitsphase konsequent zu trennen und dadurch einer teilweisen, erneuten Vermischung der beiden Flüssigkeitsphasen, wie sie insbesondere bei den bekannten Tellerzentrifugen auftritt, vorzubeugen. In vorteilhafter Weise wird hierdurch ein gegenüber allen bekannten Zentrifugen erheblich gesteigertes Trennungsvermögen, nämlich eine absolute Phasentrennung, bei gleichzeitig außerordentlich hoher Durchsatzfähigkeit erzielt. So kann beispielsweise bei einem Trommelvolumen von 100 ml und einer Drehzahl von 18 000 Umdrehungen/min eine absolute Phasentrennung eines aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel, wie etwa Petroleum, bestehenden Zwei-Phasen-Systems mit einem Durchsatz von 200 l/h erreicht werden, was einer Verweilzeit in der Trommel von 1,8 Sekunden entspricht. Andere Versuche haben gezeigt, daß selbst bei einem Dichteunterschied der beiden Flüssigkeitsphasen von nur Ο,ΟΙ-.g/cm³ noch eine absolute Phasentrennung erreichbar-ist wobei der Durchsatz unter Verwendung einer 130-ml-Zentrifuge 3 l/h beträgt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Trennzentrifuge nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist die Trennzentrifuge nach der Erfindung an Hand einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch die Trennzentrifuge und

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Zentrifuge gemäß der Linie H-II in F i g. 1.

Die rotierenden Teile der Trennzentrifuge sind in einem Zentrifugengehäuse 1 untergebracht, das aus einem zylindrischen Körper 2 mit einem Deckel 3 und einem Boden 4 besteht. Ein Einlaßrohr 8 für die aus den zwei zu trennenden Flüssigkeitsphasen bestehende Rohflüssigkeit geht in ein oberes Einsatzstück 7 über, das durch eine Öffnung in dem Deckel 3 ins Innere der Zentrifuge ragt und einen ebenen radialen Ringflansch 6 aufweist In ähnlicher Weise ist in einer Öffnung des Bodens 4 ein unteres Einsatzstück 5 befestigt, das eine zylindrische Bohrung 10 besitzt und einen Ringflansch 47 aufweist Die Schleudertrommel 20 der Zentrifuge sitzt auf einer Antriebswelle 21, die mit dem Trommelboden 22 verbunden ist und in dem unteren Einsatzstück 5 mittels Kugellagern 25 drehbar gelagert ist. Zwischen dem Trommelboden 22 und dem unteren Einsatzstück 5 befindet sich eine Dichtung 26, die vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen besteht. Diese Dichtung ermöglicht es, in der Schleudertrommel sowohl mit Überdruck als auch mit Unterdruck zu arbeiten.

Die Schleudertrommel 20 besteht außerdem aus einem äußeren Trommelmantel 23 mit einem den Trommeldeckel bildenden, nach innen ragenden Trommelringflansch 66, auf dem eine obere Abdeckplatte 24 befestigt ist. Der Trommelmantel 23 sitzt mit seiner Trennwand 64 auf dem Umfangsbereich des Trommelbodens 22 auf. An der unteren Stirnseite des Trommelmantels 23 ist mittels Bolzen 30 eine untere Abdeckplatte 29 befestigt, die sich mit ihrem mittleren Bereich 32 bis nahe zu einem weiteren unteren Einsatzstück 9 erstreckt, das einen zur ebenen Stirnseite des Ringflansches 47 parallelen Ringflansch 34 aufweist und mit ihm einen radialen, nach außen offenen Spalt 35 bildet, der innen in einen zylindrischen, zwischen den Einsatzstükken 5 und 9 liegenden Ringkanal 53 übergeht. Die Ringflansche 47 und 34 bilden eine untere Schälscheibe. Die untere Abdeckplatte 29 begrenzt mit ihrem mittleren Bereich 32 nach unten hin eine untere Sammelkammer 33 für eine der abgetrennten Flüssigkeitsphasen. In gleicher Weise besitzt die obere Abdeckplatte 24 einen mittleren Bereich 36, der sich bis nahe zu einem weiteren oberen Einsatzstück 46 erstreckt, das einen zu dem Ringflansch 6 parallelen Ringflansch 27 aufweist und mit ihm einen radialen, nach außen offenen Spalt 28 bildet, der innen in einen zylindrischen, zwischen den Einsatzstücken 7 und 46 liegenden Ringkanal 52 übergeht. Die Flansche 6 und 27 bilden eine obere Schälscheibe.

Die Schleudertrommel enthält in ihrem Inneren einen Hohlkörper 38, dessen Oberseite zusammen mit einem Teil des oberen Trommelringflansches 66 und mit der oberen Abdeckplatte 24 eine obere Sammel-kammer 39 für die-ajidere abgetrennte Flüssigkeitsphase begrenzt. Im Inneren des Hohlkörpers 38 befindet sich eine sich in Richtung auf den Trommelboden 22 kegelig erweiternde, zentrale Schleudergutkammer 42, in jjie das obere Einsatzstück 7 hineinragt.

'öie^Schleudertrommel ist in der Nähe ihres Schwerpunkts gelagert.

Die abgetrennten Phasen werden aus den Sammelkammern 39 bzw. 33 mittels der stillstehenden Schälscheiben 6, 27 bzw. 34, 47 ausgetragen, die so angeord-

35· net sind, daß sie durch die Flüssigkeitsspiegel 50 bzw. 51 ein wenig in die angesammelten Flüssigkeitsmengen 48 bzw. 49 hineinragen. Die Ringkanäle 52 bzw. 53 münden in Auslaßkanäle 54 bzw. 55 im Gehäusedeckel 3 bzw. im Gehäuseboden 4 für die ausgetragenen Flüssigkeitsphasen. Diese Auslaßkanäle 54 bzw. 55 gehen in Auslaßrohre 56 bzw. 57 über, welche mit Drosselventilen 58 bzw. 59 versehen sind, durch die die Flüssigkeitsspiegel 50 bzw. 51 in den Sammelkammern in dem gewünschten Abstand von der Achse der Schleudertrommel gehalten werden könrieii. ;_.. Γ-

Zwischen dem irirfererrHohikörper 38 und dem äußeren Trommelmäntel "23~befinden sich konzentrische Trennkammern 75, 76, 77-und 78. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind diese Trennkammern durch radiale Wände 63 in acht Sektoren unterteilt. Die radialen Wände 63 erstrecken sich vorzugsweise bis zur Innenwand 64 des äußeren Trommelmantels 23, können aber möglichrweise auch einen Spalt von ein oder zwei Millimetern zu dieser Innenwand 64 freilassen. Nach innen werden die Trennkammern durch die Außenwand 65 des inneren Hohlkörpers 38 begrenzt. Nach oben werden die Trennkammern durch den sich radial nach innen erstreckenden oberen Trommelringflansch 66 des Trommeldeckels begrenzt, nach unten durch den Umfangsbereich 68 des Trommelbodens 22 und, bezüglich der innersten Trennkammer 75, durch einen radial nach außen reichenden Ringflansch 67 des inneren Hohlkörpers 38.
Zwischen dem äußeren Trommelmantel 23 und dem inneren Hohlkörper 38 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Trennwände, nämlich eine innere Trennwand 71, eine mittlere Trennwand 72 und eine äußere Trennwand 73 derart angeordnet, daß die

Trennkammern oberhalb und unterhalb der Trennwände radial miteinander in Verbindung stehen. Die obere Verbindung ist mit 62 bezeichnet. Die Trennwände 71, 72 und 73 besitzen ebenso wie die Außenwand 65 des inneren Hohlkörpers 38 und die Innenwand 64 des außeren Trommelmantels 23 einen leicht konischen Verlauf, und zwar derart, daß der Durchmesser vom Trommelboden in Richtung auf den Trommeldeckel um einen geringen Betrag abnimmt. Demgemäß wird die aus der zentralen Schleudergutkammer 42 über radiale Einlaßkanäle 81 in die Trennkammern eingeführte Rohflüssigkeit in eine sich abwärts bewegende schwere Phase und eine sich aufwärts bewegende leichte Phase getrennt. Die schwere Phase sammelt sich vorzugsweise im unteren Bereich der äußersten Trennkammer 78 und strömt durch einen Auslaß 82 in die untere Sammelkammer 33 ab, während sich die leichte Phase in der innersten Trennkammer 75 vorwiegend im oberen Bereich sammelt und über einen Auslaß 83 in die obere Sammelkammer 39 abströmt.

Selbstverständlich könnten die Trennwände 71, 72 und 73 auch mit umgekehrter Neigung, also mit von oben nach unten abnehmendem Durchmesser angeordnet werden, wodurch sich dann die schwere Flüssigkeitsphase oben und die leichte Flüssigkeitsphase unten ansammeln würde.

Da es für die vollständige Trennung der beiden Phasen voneinander äußerst wichtig ist, daß die Rohflüssigk.eit weit ins Innere der Trennkammern hineingeführt ; wird, sind Ringkrägen vorgesehen, die verhindern, daßi-30, die Flüssigkeit oben und unten an den Trennkammern vorbeiströmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind an dem oberen, nach innen ragenden Trommelringflansch 66 des äußeren Trommelmantels 23 ein innerer, in die innerste Trennkammer 75 weisender Ringkragen (ohne Bezugszeichen) und ein weiterer, in die Trennkammer 77 weisender Ringkragen 86 ausgebildet. Am Außenumfang des Trommelbodens 22 ist eine Nut 87 vorgesehen, die einen in die äußerste Trennkammer 78 weisenden Ringkragen entstehen läßt. Ein weiterer Ringkragen 89 weist in die nächst innere Trennkammer 77. Schließlich ist in dem Trommelboden 22 noch ein Ringkragen 88 ausgebildet, der die über die Einlaßkanäle 81 einströmende Rohflüssigkeit in die Trennkammer 76 umlenkt. Schließlich läuft auch noch der Ringflansch 67 des inneren Hohlkörpers 38 in einem in die Trennkammer 76 gerichteten Ringkragen 85 aus.

Die Trennwände 71, 72, 73 sind überlappend angeordnet, um die Umlenkung des Flüssigkeitsstroms in jede Kammer noch zu erleichtern.

Die Trennzentrifuge arbeitet wie folgt: Die Rohflüssigkeit, die eine fein verteilte Emulsion sein kann, wird über das Einlaßrohr 8 kontinuierlich in die zentrale Schleudergutkammer 42 eingeführt, von wo sie unter der Wirkung der Zentrifugalkraft durch eine Vielzahl von Einlaßkanälen 81 in die Trennkammer 76 gedrückt wird. In diese Trennkammer 76 strömt überdies auch die schwere Flüssigkeitsphase aus der innersten Trennkammer 75 über die radiale Verbindung, die zwischen der Trennwand 71 und dem Ringkragen 85 besteht. Die Ströme mischen sich unter Wirbelbildung im mittleren Bereich der Trennkammer 76. Unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft trennen sich die beiden Phasen. und die schwere Phase fließt abwärts entlang der Trennwand 72 durch die von den beiden Ringkrägen 88 und 89 gebildete Ringnut und infolge der Umlenkung durch den Ringkragen 89 wieder aufwärts in die Trennkammer 77. In ähnlicher Weise fließt die leichte Phase in der Trennkammer 76 entlang der Trennwand 71 nach, oben, wird um die Oberkante dieser Trennwand 71 herum nach unten umgelenkt und gelangt so in die innerste Trennkammer 75. Ähnlich verlaufen die Flüssigkeitsströme in den anderen Trennkammern. Die abgetrennten Flüssigkeitsphasen strömen somit in einer wellenförmigen Bewegung von 'Trennkammer zu Trennkammer, und-zwar die schwere Flüssigkeitsphase im unteren'ifereich der Trennkammern nach außen und die leichte Flüssigkeitsphase im oberen Bereich der Trennkammern nach innen.

Die leichte Flüssigkeitsphase verläßt die innerste .Trennkammer 75 über den Auslaß 83 und gelangt in die obere Sammelkammer 39, aus der sie durch die Schälscheibe 6,27 ausgetragen wird. In ähnlicher Weise sammelt sich die schwere Flüssigkeitsphase in der unteren Sammelkammer 33 und wird durch die Schälscheibe 34, 47 ausgetragen.

Die Schleudertrommel 20, die bei einer Laboratoriumszentrifuge einen Durchmesser von etwa 15 cm haben kann, läuft mit beispielsweise 16 000 Umdrehungen pro Minute, wodurch eine Zentrifugalbeschleunigung in der Größenordnung von 15 000 g entsteht. Die Flüssigkeit hat in der Schleudertrommel 20 eine Verweilzeit von wenigen Sekunden, jede Phase, die vollständig frei von Verunreinigungen durch die andere Phase ist, wird durch die zugehörigen Auslaßrohre 56 bzw. 57, gesteuert durch die Ventile 58 bzw. 59, "abgezogen. Die" radialen Wände Bä've'fhüten die Ausbildung einer relativen UmfaiTgssrrölriung in der Schleudertrommel. Eine solche Umfangsbejvegung würde eine vollständige Trennung der beiden Phasen verhindern. Die Umfangsausdehnung d_er'einzelnen Sektoren darf daher nicht zu groß seinr-^" ~'

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Trennzentrifuge zum kontinuierlichen Trennen zweier Flüssigkeitsphasen verschiedener Dichte, in deren Schleudertrommel mehrere konzentrische, von den beiden Flüssigkeitsphasen durchströmte, durch radiale Wände in Sektoren unterteilte, konzentrische Trennkammern bildende, schwach konische Trennwände angeordnet sind und der von ihnen eingenommene Trommelraum begrenzt ist einerseits von einem äußeren, zur Sammlung der schweren Flüssigkeitsphase dienenden Trommelmantel, andererseits von einem inneren, eine zentrale Schleudergutkammer umschließenden, hohlen Mittelkörper sowie auf der Seite des größeren Durchmessers der konischen Trennwände von einem Trommelboden und auf der gegenüberliegenden Seite von einem zur Sammlung der leichten Flüssigkeitsphase dienenden Trommeldeckel, wobei sämtliche Trennkammern untereinander in radialer Verbindung stehen und von der zentralen Schleudergutkammer radiale Einlaßkanäle abgehen, die jeweils nur in eine Trennkammer münden, d a durch gekennzeichnet, daß die radialen Verbindungen der Trennkammern (75, 76, 77, 78) zwischen den unteren bzw. oberen Rändern der sie jeweils begrenzenden Trennwände (71, 72, 73) und dem in axialen Abständen dazu angeordneten Tronnneiboden (22) bzw. Trommeldeckel (66, 24 gebildet sind, von denen Ringkragen (85, 86, 88, 89) in die Trennkammern ragen, wobei die radialen Einlaßkanäle (81) für das Schleudergut in eine von zwei Trennwänden (71, 72) gebildete Trennkammer (76) münden.

2. Trennzentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die radialen Wände

(63) gebildeten Sektoren sich über höchstens 90°, vorzugsweise über 45° des Trommelumfangs erstrecken.

3. Trennzentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Trennwände (71, 72, 73) derart zueinander versetzt angeordnet sind, daß jeweils die äußeren Trennwände die inneren im Bereich ihrer größeren Durchmesser überragen.

4. Trennzentrifuge nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand

(64) des äußeren Trommelmantels (23) und die Außenwand (65) des inneren Hohlkörpers (38) ahnlieh wie die konischen Trennwände (71, 72, 73) ebenfalls konisch verlaufen.

5. Trennzentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (83) für die leichte Flüssigkeitsphase im Bereich des Trommeldcckels (66, 24) und der Auslaß (82) für die schwere Flüssigkeitsphase im Bereich des Trommelbodens (22) angeordnet sind.

6. Trennzentrifuge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil der Trommel und im unteren Teil der Trommel Sammelkammern (.3.3, 39) für die beiden getrennten Flüssigkeitsphasen vorgesehen sind, in die Schälscheiben (6, 27; 34, 47) zum Austragen der Flüssigkeitsphasen eingreifen.

Die Erfindung betrifft eine Trennzentrifuge zum kontinuierlichen Trennen zweier Flüssigkeitsphasen verschiedener Dichte, in deren Schleudertrommel mehrere konzentrische, von den beiden Flüssigkeitsphasen durchströmte, durch radiale Wände in Sektoren unterteilte, konzentrische Trennkammern bildende, schwach konische Trennwände angeordnet sind und der von ihnen eingenommene Trommelraum begrenzt ist einerseits von einem äußeren, zur Sammlung der schweren

ίο Flüssigkeitsphase dienenden Trommelmantel, andererseits von einem inneren, eine zentrale Schleudergutkammer umschließenden, hohlen Mittelkörper sowie auf der Seite des größeren Durchmessers der konischen Trennwände von einem Trommelboden und auf der gegenüberliegenden Seite von einem zur Sammlung der leichten Flüssigkeitsphase dienenden Trommeldeckel, wobei sämtliche Trennkammern untereinander in radialer Verbindung stehen und von der zentralen Schleudergutkammer radiale Einlaßkanäle abgehen, die jeweils nur in eine Trennkammer münden.

Eine derartige Trennzentrifuge ist aus der deutschen Patentschrift 1 59 936 bekannt. Das Trennungsvermögen und die Durchsatzfähigkeit dieser bekannten Zentrifuge vermögen allerdings in keiner-Weise zu befriedigen, was insbesondere darauf zurückzuführen ist, daß das Schleudergut in die innerste Trennkammer eintritt, wo es sich mit der bereits ausgeschleuderten, leichteren Flüssigkeitsphase wieder vermengt und daß das Schleudergut die einzelnen Trennkammern jedes Sektors über in den Trennwänden vorgesehene, im wesentlichen axial verlaufende Längsschlitze in radialer Richtung durchwandert, wodurch örtlich turbulente Strömungen entstehen, die nicht nur ein Entmischen der schweren Phase von der leichten Phase verhindern sondern darüber hinaus sogar zu einer teilweisen erneuten Vermischung der bereits getrennt vorliegenden Phasen Anlaß geben. Zwar endigen bei der bekannten Zentrifuge die die Trennkammern begrenzenden, konzentrischen Trennwände im Bereich ihres geringeren Durchmessers in axialem Abstand zu dem Trommeldeckel; die dadurch gebildete radiale Verbindung zwischen den Trennkammern eines Sektors dient jedoch nicht dazu, das Schleudergut von Trennkammer zu Trennkammer überzuleiten sondern nimmt lediglich die abgeschiedene, leichtere Phase auf, um-sie nach innenin Richtungen!-den'nahe der Zentrifugenachse liegenden Auslaß-abzuftthren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trennzentrifuge- 3er einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die-bei hohem Durchsatzvermögen eine absolute-.Phäsentrennung gestattet, unter absoluter Phasentrennung wird dabei verstanden, daß ein Zwei-Phasen-System so in seine beiden Komponenten zerlegt wird, daß jede Phase ohne tropfenförmige Beimengungen der anderen Phase vorliegt. Grundsätzlich sollte jede der zwei getrennten Phasen nur so viel der anderen Phase enthalten, wie der gegenseitigen Löslichkeit entspricht. Eine Unterschreitung dieses Grundwerts ist bekanntlich aus physikalischen Gründen nicht möglich.

Die genannte Aufgabe ist bei der hier vorgeschlagenen Trennzentrifuge erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die radialen Verbindungen der Trennkammern zwischen den unteren b/.w. oberen Rändern der sie jeweils begrenzenden Trennwände und dem in axialen Abständen dazu angeordneten Trommelboden bzw. Trommeldeckel gebildet sind, von denen Ringkragen in die Trennkammern ragen, wobei die radialen Einlaßka-