DE19508430A1 - Hydrozyklon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hydrozyklon mit einem Zyklongehäuse, einer tangential an das Zyklongehäuse ange­ schlossenen Einlaufdüse, einer in der Längsmittenachse des Zyklongehäuses angeordneten Oberlaufdüse und einer ebenfalls in der Längsmittenachse angeordneten Unterlauf­ düse, wobei an der Unterlaufdüse eine Sperreinrichtung zur Verhinderung eines Lufteintritts in das Zyklongehäuse vorgesehen ist.

Die Strömungsmechanik eines Hydrozyklons wird in vereinfachter Form folgendermaßen beschrieben. Durch tan­ gentiale Flüssigkeitszuführung unter Druck wird im Hydro­ zyklon eine Rotationsströmungsbewegung erzwungen. Die Strömung folgt zunächst der inneren Wand des Zyklongehäuses bis zu einem Staupunkt in der Nähe der Konusspitze des Zyklongehäuses. Dort wird der abwärts gerichtete primäre Wirbel wegen unzureichender Abflußmöglichkeit zur Umkehr nach aufwärts gezwungen, wodurch ein sekundärer Wirbel gebildet wird, der einen Luftkern in Achsnähe eng umkreist und schließlich das Zyklongehäuse durch die Oberlaufdüse verläßt. Während der doppelten Wirbelströmung tritt eine Entmischung der Aufgabetrübe auf. Die suspendierten Partikel, zumindest die gröberen und/oder schwereren Frak­ tionen, werden nach außen an die Innenwand des Zyklon­ gehäuses bewegt und bilden dort einen schraubenförmig abwärts bewegten Schlammstrom. Dieser tritt durch die Unterlaufdüse aus. Der Schlammstrom verschließt die Unter­ laufdüse hydraulisch gegen den Durchtritt der Hauptmenge der nunmehr verdünnten oder geklärten Suspension, der auf dem Weg über den Innenwirbel nur die Austrittsmöglichkeit an der Oberlaufdüse verbleibt.

Im Kern der Rotationsströmung herrscht Unterdruck. Dadurch kann sowohl vom Unterlauf her als auch von der Oberlauf­ seite Luft in den Hydrozyklon eindringen und einen Luftkern bilden. Ein Lufteintritt beeinflußt den Feststoffaustrag. Es ist bekannt, zur Erhöhung des Feststoffgehaltes im Unterlauf eine Sperreinrichtung an der Unterlaufdüse vorzusehen, welche einen Lufteintritt in das Zyklongehäuse verhindert. Die Sperreinrichtung kann in Form von Austragskammern, die diskontinuierlich entleert werden, oder in Form einer flexiblen Unterlauftasche oder auch als Tauchabschluß der Unterlaufdüse in einem Schlammbehälter ausgebildet sein. Es ist allerdings bisher nicht gelungen, eine ausreichende Abscheidung feinstkörniger und spezifisch sehr leichter Teilchen im Hydrozyklon zu erreichen, da die turbulente Vermischung feinster und sehr leichter Teilchen den Abscheideprozeß behindert. Ferner ist es trotz vieler Bemühungen bisher nicht befriedigend gelungen, am Hydro­ zykloneingang auftretende Schwankungen hinsichtlich Fest­ stoffgehalt, Korngrößen sowie Dichteschwankungen der Aufgabe trübe durch eine einfache Regelung auszugleichen. Zwar sind Feststoffaustragsregelungen bekannt, die mit verstellbaren Unterlaufdüsen arbeiten, doch sind diese Austragsregelungen nicht frei von Nachteilen. Verstellbare Unterlaufdüsen sind konstruktiv aufwendig. Ferner sind sie am Unterlauf einem beachtlichen Verschleiß ausgesetzt. Schließlich besteht bei einem kleinen Düsenquerschnitt der Unterlaufdüse die Gefahr der Verstopfung des Düsenquer­ schnitts durch Schlamm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abscheidung der festen Phase im Hydrozyklonunterlauf zu verbessern und einen maximalen Feststoffaustrag bzw. eine maximale Eindickung bei schwankenden Aufgabebedingungen sicherzu­ stellen.

Die Aufgabe wird bei einem Hydrozyklon des eingangs beschriebenen Aufbaus erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zyklongehäuse eine obere Austragskammer aufweist, in welche die Oberlaufdüse mittig einmündet, und daß an die Austragskammer ein die Oberlauf-Suspension abführender Austrittstutzen seitlich angeschlossen ist. Vorzugsweise ist die Austragskammer zylindrisch ausgebildet und schließt der Austrittstutzen tangential an den Mantel der Austrags­ kammer an. - Nach der erfindungsgemäßen Lehre bildet sich im Hydrozyklon kein Luftkern mehr aus oder wird dessen Größe zumindest wesentlich reduziert. Dadurch, daß der gesamte Hydrozyklon bei einem Betrieb ohne Luftkern mit Flüssigkeit ausgefüllt ist, wächst der Durchsatz bei gleichem Druckabfall um etwa 10%. In dem inneren Kern der Hydrozyklonströmung bildet sich ferner eine starke Axial­ strömung in Richtung Oberlauf aus, wobei sich die Aufsplittung der im Oberlauf und im Unterlauf abziehbaren Teilströme zugunsten des Oberlaufes verschiebt, wenn man einen Hydrozyklon gleicher Geometrie ohne erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vergleich heranzieht. Dies wirkt sich insofern günstig aus, daß kleine Hydrozyklone mit relativ großen Unterlaufdüsen ausgeführt werden können und sich dadurch die Verstopfungsgefahr an der Unterlaufdüse ver­ ringert. Im Kern der luftkernfreien Hydrozyklonströmung existiert ferner eine turbulenzarme Wirbelströmung, die besonders günstige Voraussetzungen für eine Teilchenab­ scheidung bietet. Insofern ist es möglich, den Hydrozyklon auch bei sehr schwierigen Einsatzfällen, so bei der Abscheidung feinstkörniger bzw. spezifisch leichter Teil­ chen, einzusetzen.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß an der oberseitigen Stirnseite der Austragskammer in der Längsmittenachse des Zyklongehäuses eine Belüftungsleitung mit einem Ventil angeordnet ist, durch dessen Betätigung eine Luftkernbildung im Hydrozyklon beeinflußbar ist. Durch Öffnen bzw. Schließen des Belüftungsventils ist das Teilungsverhältnis der in den Oberlauf und Unterlauf gelagerten Volumenströme, kurz Volumensplit genannt, ein­ fach einstell- und veränderbar. Ein Austausch der Unter­ laufdüse ist, anders als im Stand der Technik, nicht mehr erforderlich, wenn der Volumensplit verändert werden soll.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Oberlaufdüse aus einem Innenrohr und einem konzentrisch dazu angeordneten Außenrohr besteht, wobei das Innenrohr und das Außenrohr in getrennten Austragskammern enden. Mit dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydrozyklons gelingt es, die im Oberlauf ausgetragenen Feststoffe weitergehend in einen Feinstgut­ anteil sowie in einen etwas gröberen Anteil zu fraktionieren. Mit dem inneren Kern der Hydrozyklonströmung kann der Feinstkornanteil durch das Innenrohr ausgeschleust werden. In das Außenrohr der Oberlaufdüse gelangt eine Suspension mit Teilchen, die in ihrer Größe und/oder ihrer Dichte zwischen den Stoffwerten des Unterlaufs und des durch das Innenrohr abgezogenen Oberlaufteilstroms liegen.

Der durch das Außenrohr der Oberlaufdüse ausgeschleuste Teilstrom enthält außerdem Aufgabegut, welches durch Kurzschlußströmungen entlang dem Hydrozyklondeckel direkt in den Oberlauf gelangt. Dieser Teilstrom wird zweck­ mäßigerweise zur Aufgabetrübe zurückgeführt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die dem Außenrohr zugeordnete Austragskammer an der Oberseite des Zyklongehäuses sowie an der Oberseite dieser ersten Austragskammer die mit dem Innenrohr verbundene zweite Austragskammer angeordnet. An der freien Stirnseite der zweiten Austragskammer ist in der Längsmittenachse des Zyklongehäuses eine Belüftungsleitung mit einem Ventil angeordnet, durch dessen Betätigung eine Luftkernbildung im Hydrozyklon beeinflußbar ist.

An der Unterlaufdüse muß ein Lufteintritt ebenfalls verhindert werden. Dies kann, wie eingangs bereits erläutert wurde, durch verschiedene konstruktive Maßnahmen gewährleistet werden. Nach einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung ist an die Unterlaufdüse eine flexible Unterlauftasche angeschlossen.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Austragskammer mit ein­ stellbarer und steuerbarer Belüftung verbessert nicht nur die Trenneigenschaften des Hydrozyklons, sondern sie trägt auch zu einer Reduzierung seines spezifischen Energie­ bedarfs bei. Überdies bietet die erfindungsgemäße Ausge­ staltung des Hydrozyklons auch die Möglichkeit einer einfachen und wirkungsvollen Regelung des Feststoff­ austrages im Unterlauf. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zum Regeln des Feststoffaustrages im Unterlauf eines Hydrozyklons, dem eine Aufgabetrübe tangential zugeführt wird und aus dem ein Leichtgut enthaltender Oberlauf sowie ein Schwergut enthaltender Unterlauf unter Luftabfluß durch eine Unterlaufdüse abgezogen werden, wobei erfindungsgemäß der Oberlauf durch eine in der Längsmittenachse des Hydrozyklons angeordnete Oberlaufdüse unterseitig in eine Austragskammer geführt sowie aus dieser seitlich abgezogen wird und wobei ein Ventil in einer Belüftungsleitung, welche in der Längsmittenachse des Hydrozyklons an die obere Stirnseite der Austragskammer angeschlossen ist, nach Maßgabe einer Abweichung des Feststoffgehaltes im Unterlauf von einem vorgegebenen Sollwert gesteuert wird. Das Ventil wird bei einer Überschreitung des Sollwertes weiter geöffnet und bei einer Unterschreitung des Sollwertes weiter geschlossen. Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren beruht darauf, daß durch Schließen bzw. Öffnen des Belüftungsventils ein sich in das Zyklongehäuse erstreckender Luftkern mehr oder weniger vollständig unterdrückt wird. Bei geschlossener Belüftungsleitung wird der Luftkern vollständig unter­ drückt, während bei geöffneter Belüftungsleitung sich ein Luftkern ausbilden kann. Eine teilweise Öffnung der Belüftungsleitung ermöglicht unter Ausnutzung der beschriebenen Effekte eine sensible Steuerung des Volumen­ splits in einem relativ großen Bereich. Bei erhöhter Feststoffabscheidung im Hydrozyklon infolge eines höheren Aufgabefeststoffgehaltes oder einer gröberen Körnung des Aufgabeguts wird der durch die Unterlaufdüse ausgeschleuste Massestrom durch Öffnen der Belüftungsleitung vergrößert und umgekehrt. Als Regelgröße für die Stellbewegung des Ventils wird vorzugsweise das Gewicht eines Unterlaufge­ fäßes benutzt, welches den Unterlauf des Hydrozyklons ganz oder teilweise auffängt. Alternativ könnte auch das Gewicht des Hydrozyklons im Betrieb gemessen und als Regelgröße für die Stellbewegung des Ventils eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln des Feststoffaus­ trages im Unterlauf eines Hydrozyklons zeichnet sich durch beachtliche Vorteile aus. Die an die Austragskammer ange­ schlossene Belüftungsleitung mit Ventil unterliegt keinem Verschleiß. Bei der Regelung kann man ferner unter­ schiedliche Eindickungsgrade und Feststoffausbringungen im Unterlauf bei jeweils gleicher Unterlaufdüse mit relativ großem Düsenquerschnitt erzielen. Damit ist die Ver­ stopfungsgefahr im Bereich der Unterlaufdüse wesentlich geringer als bei Verfahren nach dem Stand der Technik, die mit verstellbaren Unterlaufdüsen zur Regelung des Fest­ stoffaustrages arbeiten.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß der Oberlauf durch eine aus einem Innenrohr und einem dazu konzentrischen Außenrohr bestehende Oberlaufdüse abgezogen wird und daß der aus dem Außenrohr ablaufende Teilstrom der Aufgabetrübe wieder zugeführt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 den Längsschnitt durch einen Hydrozyklon,

Fig. 2 eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Hydrozyklons, ebenfalls im Längsschnitt und

Fig. 3 ein Anlagen- und Regelungsschema zum Betreiben des in Fig. 2 dargestellten Hydrozyklons.

Der in den Figuren dargestellte Hydrozyklon besteht in an sich bekannter Weise aus einem Zyklongehäuse 1, einer tangential an das Zyklongehäuse 1 angeschlossenen Ein­ laufdüse 2, einer in der Längsmittenachse des Zyklon­ gehäuses 1 angeordneten Oberlaufdüse 3 und einer ebenfalls in der Längsmittenachse angeordneten Unterlaufdüse 4. An der Unterlaufdüse 4 ist eine flexible Unterlauftasche 5 angeschlossen, die als Sperreinrichtung zur Verhinderung eines Lufteintritts in das Zyklongehäuse 1 arbeitet.

Das Zyklongehäuse 1 weist eine obere, zylindrische Austragskammer 6 auf, in welche die Oberlaufdüse 3 mittig einmündet. An den zylindrischen Mantel der Austragskammer 6 schließt seitlich eine die Oberlaufsuspension abführender Austrittstutzen 7 tangential an. An der oberen Stirnseite der Austragskammer 6 ist in der Längsmittenachse des Zyklongehäuses 1 eine Belüftungsleitung 8 mit einem Ventil 9 angeordnet, durch dessen Betätigung eine Luftkernbildung im Hydrozyklon beeinflußbar ist. Durch Schließen des Ventils 9 ist eine nahezu vollständige Unterdrückung des in Fig. 1 noch schwach angedeuteten Luftkerns möglich. Öffnet man das Ventil 9, so bildet sich ein Luftkern aus, der sich in den Zyklonraum hinein erstreckt. Durch Stellbewegung des Ventils 9 kann der Volumensplit, also die Aufteilung der Aufgabetrübe in Oberlauf und Unterlauf, verändert und der Feststoffaustrag durch die Unterlaufdüse 4 eingestellt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung des Hydrozyklons besteht die Oberlaufdüse 3 aus einem Innenrohr 10 und einem konzentrisch dazu angeordneten Außenrohr 11, wobei das Innenrohr 10 und das Außenrohr 11 in getrennten Austrags­ kammern 6, 12 enden. Die dem Außenrohr 11 zugeordnete Austragskammer 12 ist an der Oberseite des Zyklonengehäuses 1 angeordnet. Darauf, also an der Oberseite dieser ersten Austragskammer 12, ist die mit dem Innenrohr 10 verbundene zweite Austragskammer 6 angeordnet. Die Belüftungsleitung 8 mit einem Ventil 9 ist an die zweite Austragskammer 6 angeschlossen. Das Ventil 9 ist verstellbeweglich, wobei durch die Ventilstellung in einem vorgegebenen Stellbereich der Feststoffaustrag durch die Unterlaufdüse 4 des Hydrozyklons steuerbar ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Hydrozyklon erlaubt eine sehr scharfe Trennung zwischen Feststoffen, die in bezug auf Korngröße und/oder Dichte nur geringe Unterschiede auf­ weisen. Der Hydrozyklon eignet sich insbes. auch für die Trennung von Kunststoffgemischen in Wasser nach der Dichte, wobei die Kunststoffmaterialien in Form von Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 5 mm vorliegen können. Mit herkömmlichen Hydrozyklonen gelingt es erfahrungsgemäß nicht, eine saubere Trennung zu realisieren. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen wird daher üblicherweise eine Hydrozyklonkaskade aus mindestens zwei Stufen eingesetzt, wobei in jeder Stufe eine Komponente in möglichst reiner Form abgezogen wird. Der in Fig. 2 darge­ stellte Hydrozyklon kann eine zweistufige Hydrozyklon­ schaltung ersetzen. Durch Verstellung des Belüftungsventils 9 ist die Trennung zwischen Oberlauf und Unterlauf einstell- und optimierbar. Durch die Unterlaufdüse 4 wird ein reines Produkt hoher Dichte, als Schwergut 13 bezeichnet, ausgetragen (Fig. 3). In die obere Austrags­ kammer 6 gelangt mit der Kernströmung des Hydrozyklons ein reines Produkt geringer Dichte, das sog. Leichtgut 14. Aus der mit dem Außenrohr 11 verbundenen unteren Austragskammer 12 ist ein Mischprodukt 15 aus Leichtgut und Schwergut abziehbar, welches in eine Pumpvorlage 16 für die Hydrozyklonaufgabe zurückgeführt wird. Auf diese Weise gelingt es, mit dem luftkerngesteuerten Hydrozyklon und einer Dreiproduktentrennung einen verfahrenstechnischen Effekt zu erzielen, der bisher nur mit einer mehrstufigen Hydrozyklonschaltung erreichbar war.

In der Fig. 3 ist auch das Regelungsschema dargestellt, um den Feststoffaustrag im Unterlauf des Hydrozyklons zu regeln. Im Hydrozyklon wird eine Aufgabetrübe 17 tangential zugeführt. Ein Schwergut 13 enthaltender Unterlauf wird unter Luftabschluß durch eine Unterlaufdüse 5 abgezogen. Ein Leichtgut 14 mitführender Oberlauf wird durch eine in der Längsmittenachse des Hydrozyklons angeordnete Ober­ laufdüse 3 unterseitig in eine Austragskammer 6 geführt sowie aus dieser seitlich abgezogen. Ein Ventil 9 in einer Belüftungsleitung 8, welche in der Längsmittenachse des Hydrozyklons an die obere Stirnseite der Austragskammer 6 angeschlossen ist, wird gesteuert. Die Steuerung erfolgt nach Maßgabe einer Abweichung des Feststoffgehaltes im Unterlauf, wobei das Ventil 9 bei einer Überschreitung des Sollwertes zunehmend geöffnet und bei einer Unterschreitung des Sollwertes zunehmend geschlossen wird. Als Regelgröße für die Stellbewegung des Ventils 9 wird das Gewicht eines Unterlaufgefäßes 18 benutzt, welches den Unterlauf des Hydrozyklons ganz oder teilweise auffängt. Bei hoher Trübedichte wird unter Wirkung des Gewichts des Unterlaufgefäßes 18 das Ventil 9 geöffnet, wodurch sich der Volumensplit so verändert, daß mehr Feststoff im Unterlauf ausgetragen wird. Bei Verringerung der Trübedichte im Unterlauf und entsprechend reduziertem Gewicht des Unterlaufgefäßes 18 wird das Belüftungsventil 9 in Schließrichtung verstellt. Dadurch verringert sich der Volumenstrom im Unterlauf bei wachsendem Feststoffgehalt. Im Ergebnis resultiert eine stabile Eindickung bei wechselnden Gehalten in der Aufgabetrübe.

Anstelle der Gewichtsmessung eines Unterlaufgefäßes 18 kann auch das Gewicht des Hydrozyklons gemessen werden. Selbstverständlich können auch andere Verfahren zur Messung der Trübedichte im Unterlauf eingesetzt und deren Meßgröße für die Stellbewegung des Ventils verwendet werden. Das erläuterte Steuer- und Regelschema ist schließlich auch bei einem Hydrozyklon in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 an­ wendbar.

Claims (8)

1. Hydrozyklon mit
einem Zyklongehäuse,
einer tangential an das Zyklongehäuse angeschlossenen Einlaufdüse,
einer in der Längsmittenachse des Zyklongehäuses angeordneten Oberlaufdüse und
einer ebenfalls in der Längsmittenachse angeordneten Unterlaufdüse,
wobei an der Unterlaufdüse eine Sperreinrichtung zur Verhinderung eines Lufteintritts in das Zyklongehäuse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zyklongehäuse (1) eine obere Austragskammer (6) aufweist, in welche die Oberlaufdüse (3) mittig einmündet, und daß an die Austragskammer (6) ein die Oberlauf-Sus­ pension abführender Austrittstutzen (7) seitlich ange­ schlossen ist.

2. Hydrozyklon nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragskammer (6) zylindrisch ausgebildet ist und der Austrittstutzen (7) tangential an den Mantel der Austrags­ kammer (6) anschließt.

3. Hydrozyklon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der oberen Stirnseite der Austragskammer (6) in der Längsmittenachse des Zyklongehäuses (1) eine Belüftungsleitung (8) mit einem Ventil (9) angeordnet ist, durch dessen Betätigung eine Luftkernbildung im Hydrozyklon beeinflußbar ist.

4. Hydrozyklon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberlaufdüse (3) aus einem Innenrohr (10) und einem konzentrisch dazu angeordneten Außenrohr (11) besteht, wobei das Innenrohr (10) und das Außenrohr (11) in getrennten Austragskammern (6, 12) enden.

5. Hydrozyklon nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Außenrohr (11) zugeordnete Austragskammer (12) an der Oberseite des Zyklongehäuses (1) sowie an der Oberseite dieser ersten Austragskammer (12) die mit dem Innenrohr (10) verbundene zweite Austragskammer (6) angeordnet ist und daß an der freien Stirnseite der zweiten Austragskammer (6) in der Längsmittenachse des Zyklongehäuses (1) eine Belüftungsleitung (8) mit einem Ventil (9) angeordnet ist, durch dessen Betätigung eine Luftkernbildung im Hydrozyklon beeinflußbar ist.

6. Verfahren zum Regeln des Feststoffaustrags im Unterlauf eines Hydrozyklons, dem eine Aufgabetrübe tangential zuge­ führt wird und aus dem ein Leichtgut enthaltender Oberlauf sowie ein Schwergut enthaltender Unterlauf unter Luft­ abschluß durch eine Unterlaufdüse abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ober­ lauf durch eine in der Längsmittenachse des Hydrozyklons angeordnete Oberlaufdüse unterseitig in eine Austragskammer geführt sowie aus dieser seitlich abgezogen wird und daß ein Ventil in einer Belüftungsleitung, welche in der Längsmittenachse des Hydrozyklons an die obere Stirnseite der Austragskammer angeschlossen ist, nach Maßgabe einer Abweichung des Feststoffgehalts im Unterlauf von einem vorgegebenen Sollwert gesteuert wird, wobei das Ventil bei einer Überschreitung des Sollwertes weiter geöffnet und bei einer Unterschreitung des Sollwertes weiter geschlossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße für die Verstellung des Ventils das Gewicht eines Unterlaufgefäßes benutzt wird, welches den Unterlauf des Hydrozyklons ganz oder teilweise auffängt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oberlauf durch eine aus einem Innenrohr und einem dazu konzentrischen Außenrohr bestehende Ober­ laufdüse abgezogen wird und daß der aus dem Außenrohr ablaufende Teilstrom der Aufgabe trübe wieder zugeführt wird.