DE2225262A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ab scheiden von Feststoffteilchen aus Fluiden - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ab scheiden von Feststoffteilchen aus Fluiden

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Description

Gloucester Point, Virginia, V.St.A,
Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus Fluiden
Priorität; 25. Mai 1971 / V.St.A. Anmelde-Nr.: 148 253
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus Fluiden.
In neuerer Zeit hat man sich besonders mit dem Abbau von Erzen vom Meeresboden befa&t, und dazu gehört auch die Gewinnung von Manganknollen, die durch eine Leitung gefördert werden, die sich von einem zum Erzabbau
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vom Meeresboden eingesetzten Wasserfahrzeug hängend nach unten erstreckt. Eine solche Leitung kann einen mit dem Meeresboden in Berührung stehenden Sammelkopf und einen Abgabekopf haben, der an dem schwimmenden Förderschiff angebracht ist. Zusammen mit den Knollen wird eine große Menge Luft und Seewasser mitgerissen und muß am Abgabekopf an Bord des Förderschiffes abgegeben bzw. von den Knollen abgeschieden werden. Häufig muß also ein schäumendes Dreiphasengemisch aus Gas, Flüssigkeit und Feststoffen getrennt werden.
Die Erfindung
schafft also ein Verfahren zum Abscheiden von Manganknollen aus Seewasser, bei dem ein Gemisch aus Knollen und Seewasser in einen zylindrischen Käfig schraubenlinienförmig eingeführt wird, wobei das Wasser sentrifugal aus der schraubenlinienförmigen Bahn abgegeben wird und die Knollen am Boden des Käfigs gewonnen werden. Hierzu wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine schraubenlinienförmige Leitung hat, durch die das Gemisch aus Knollen und Seewasser in einen durchlässigen Käfig eingeführt wird. Von der schraubenlinienförmigen Leitung führt eine wendeiförmige Umlenkvorrichtung nach unten in den Käfig, die die Knollen nach unten ablenkt, während das Wasser zentrifugal durch die Seiten des Käfigs ausgestoßen wird. Wenn in das Wasser Luft eingemischt ist, wie es bei Verwendung einer Mammutpumpe der Fall ist, wird mit dieser Vorrichtung aufgrund von zwei Gegebenheiten auch die Luft vom Seewasser getrennt; und zwar bietet die Vorrichtung erstens Raum und Bedingungen, die die Freigabe von Luftbläschen aus dem Seewasser fördern, wenn das Gemisch dieser beiden Phasen aus dem in der Mitte angeordneten Käfig zum äußeren Mantel hin nach außen gewirbelt wird; und zweitens erzeugt die Zentrifugalkraft, die auf das
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schraubenlinienförmig nach unten gegen den äußeren Mantel wirbelnde Seewasser wirkt, einen nach außen zunehmenden Druckgradienten in dieser Schicht des schraubenlinienförmig herabwirbelnden Wassers, wodurch Luft am Innenradius freigegeben wird.
Gemäß der Erfindung können Feststoffteilchen aus einem Fluidstromgemisch getrennt werden, welches mit hoher linearer Geschwindigkeit fließt und eine Flüssigkeit sowie mitgerissene Feststoffteilchen aufweist. Bei einer üblicha?- weise verwendeten Ausführung handelt es sich bei diesem Strom um ein Dreiphasengemisch aus Gas, Flüssigkeit und Feststoffen, das einen schäumenden Strom aus Flüssigkeit und Gas bilden, in dem Feststoffteilchen suspendiert sind. Allgemein gesagt sieht das Verfahren gemäß der Erfindung vor, einen Strom aus Flüssigkeit und Feststoffen innerhalb eines poröse Wände aufweisenden Rohres, das insgesamt zylindrisch gestaltet ist, in im wesentlichen zur-Innenfläche des Rohres tangentialer Richtung zu leiten,, die Flüssigkeit durch die porösen Wände des Rohres abzugeben, während der Strom sich schraubenlinienförmig um die Innenfläche des Rchres herumbewegt, die Feststoffphase innerhalb des Rohres zurückzuhalten und den Feststoff aus · dem Inneren des Zylinders zu gewinnen, nachdem die Flüssigkeit abgeführt worden ist. Das poröse Rohr ist insgesamt so angeordnet, daß sich seine Achse in vertikaler Richtung erstreckt, und der Strom wird in das Rohr mit einer nach unten gerichteten Geschwindigkeitskomponente eingeleitet. Vorzugsweise wird die durch das poröse Rohr abgegebene Flüssigkeit gesammelt und dadurch von der möglicherweise darin enthaltenen Gasphase abgetrennt, daß man die abgegebene Flüssigkeit auf die innere, nicht poröse Oberfläche eines äußeren Behälters auftreffen läßt, der das poröse Rohr
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umgibt, was zum Auflösen des Schaums führt. Die Gasphase gelangt in Aufwärtsrichtung nach außen und die Flüssigkeit nach unten durch den Zwischenraum zwischen der porösen Wand und dem äußeren Behälter. Um zu verhindern, daß Flüssigkeit in dem nach oben strömenden Gas mitgerissen wird, wird die durch die porösen Wände hindurchtretende Flüssigkeit vorzugsweise nach unten gerichtet. Die Flüssigkeit kann am Boden des Zwischenraumes wieder gesammelt werden.
Bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der die Feststoffteilchen enthaltende Strom auf seinem Weg nach unten innerhalb des porösen Rohres in einer im allgemeinen schraubenlinienförmigen Bahn geleitet, wodurch die Geschwindigkeit der Teilchen langsam abnimmt,so daß der Aufprall, den die Teilchen erfahren, abgeschwächt .. Das verhindert nämlich, daß die Teilchen in kleinere Teilchen oder Feinstpartikel zerbrechen, die weniger wünschenswert oder schwerer zu handhaben sind. Dadurch, daß der Strom der Teilchen so geführt wird, daß die Teilchen allmählich verlangsamt werden, kann die Erfindung zur Trennung von Flüssigkeit-Feststoff-Strömen mit einem weiten Bereich linearer Geschwindigkeiten verwendet werden.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einer Flüssigkeit, die die Feststoffteilchen mitreißt, weist ein insgesamt zylindrisches Rohr mit einer porösen Wand und einer Fluideinlaßeinrichtung auf, die so konstruiert und angepaßt ist, daß sie die Fluidströmung in das obere Ende des Rohres in im allgemeinen -jur Wand des Rohres tangentialer Richtung leitet, wobei das Fluid bestrebt ist, in einer im allgemeinen schraubenlinienförmigen Richtung längs der Innenfläche der Rohrwandung
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nach unten zu strömen und die Flüssigkeit durch die poröse Wand nach außen tritt, während die Feststoffe innerhalb des Rohres nach unten gleiten. Vorzugsweise ist im Inneren des Rohres eine wendelförmige Führungseinrichtung vorgesehen, die die Feststoffteilchen in einer wendeiförmigen Bahn nach unten leitet, und zwar im allgemeinen parallel zur Längsachse des Rohres. Diese Führungseinrichtung ist vorzugsweise in der Nähe der Innenfläche der porösen Wand des Rohres am Einlaß angeordnet. Zwar ist diese Vorrichtung zum Trennen von mit hoher linearer Geschwindigkeit fließenden Fluidströmen konstruiert; aber oft ist es wünschenswert, die lineare Geschwindigkeit anfangs zu verringern, ehe der Strom durch den Einlaß eintritt. Um das zu erreichenr steht eine gekrümmte Schraubenlinien- oder wendelförmige Leitung in Fluidströmungsverbindung mit dem Fluideinlaß. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Fluidstromungseinlaß einen polygonalen, insbesondere einen vierseitigen Querschnitt hat; die unmittelbar an den Einlaß angeschlossene Leitung hat den gleichen Querschnitt. Im allgemeinen kann ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt an das polygonale Rohr mit bekannten Mitteln angeschlossen werden.
Zum Sammeln der Feststoffteilchen ist gewöhnlich am Boden des porösen Rohrs eine Sammeleinrichtung vorgesehen. Zum Sammeln der durch die poröse Wand austretenden Flüssigkeit ist ein Behälter um das poröse Rohr herum vorgesehen. Dieser Behälter ist vorzugsweise zylindrisch und konzentrisch zum inneren porösen Rohr angeordnet. Am Boden des Behälters kann zum Sammeln und Abführen der Flüssigkeit eine entsprechende Einrichtung vorgesehen sein.
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Diese Vorrichtung ist zum Trennen eines Dreiphasen-? gemisches verwendbar, wobei das Gas mit der Flüssigkeit durch die Wand hindurchtritt und dann im Ringraum zwischen dem Rohr und dem Behälter nach oben fließt. Um die Leistungsfähigkeit dieser Trennvorrichtung bei der Behandlung einer schäumenden Flüssigkeit zu verbessern, sollte die Innenfläche der Behälterwand so nahe am porösen Rohr angeordnet sein, daß die Flüssigkeit auf die Wand auftrifft. Das fördert das Aufbrechen des Schaums. Um noch besser zu verhindern, daß Flüssigkeit mit dem Gas mitgerissen wird, ist eine Umlenkeinrichtung an der porösen Wand vorgesehen, die die Flüssigkeit nach unten lenkt.
Die poröse Wand kann aus einem Sieb hergestellt sein, welches von vertikalen und horizontalen Gliedern gebildet ist. Die Sieböffnungen sollten so klein sein, daß die abzuscheidenden Feststoffteilchen nicht hindurch passen. Die Länge und der Durchmesser des Rohres und seine Porosität sollten so gewählt sein, daß im wesentlichen die gesamte Flüssigkeit hindurchtreten kann, so daß sie von den Feststoffteilchen getrennt wird.
Die Erfindung ist besonders wirksam zum Abscheiden von vom Meeresboden geförderten Manganknollen vom Seewasser. Häufig werden nämlich die Manganknollen vom Meeresboden mit Hilfe einer Mammutpumpenaniage in einem Dreiphasensystem aus Luft, Wasser (Schaum) und Feststoff gefördert. Die Poren oder Sieböffnungen sollten so klein bemessen sein, daß die meisten Knollen oder Teilchen nicht hindurchpassen, obwohl natürlich möglicherweise vorhandene Feinstpartjkelchen mit dem Fluid abgeleitet werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend mit vorteilhaften Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Figur 1 ist eine teilweise im Schnitt gezeigte Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und zeigt die Anbringung einer wendeiförmigen Umlenkvorrichtung in zylindrischem Käfig;
Figur 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Figur 1;
Figur 3 ist eine Vorderansicht der wendeiförmigen Umlenkvorrichtung;
Figur 4 ist eine Teilansicht und zeigt die Anbringung der Einlaßöffnung und der wendeiförmigen Umlenkvorrichtung innerhalb horizontaler Ringe;
Figur 5 ist eine teilweise im Schnitt gezeigte vergrößerte Ansicht der Anbringung der horizontalen Ringe im Verhältnis zu Sprühumlenkgliedern und Stützelementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 6 ist eine vergrößerte Teilansicht der Befestigung einer Abdeckung über dem Einstiegloch am Boden des Mantels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Figur 1 ist ein äußerer Mantel 20 mit einer Winkeleisenversteifung 30 an seinem oberen Ende gezeigt, der einen insgesamt mit 21 bezeichneten durchlässigen Käfig mit Hilfe von mehreren Stützen 36, 38 abstützt. Der Mantel 2O kann auf Winkeleisenbeinen 22, 24, 26 und 28 mit den Abmessungen 15,24 χ 15,24 χ 1,27 cm (6 χ 6 χ 1/2 Zoll) angebracht sein. Ein im Schnitt kreisförmiges Einlaßrohr 32 ist in einer ringartigen 31 angebracht und geht beispielsweise an der Stumpfschweißstelle 35 in ein rechteckiges Einlaßrohr 34 über, wodurch eine rechteckige Abgabeöffnung mit den Abmessungen 22,86 χ 30,48 cm (9 χ 12 Zoll) gebildet wird. Von dieser öffnung 40 erstreckt sich eine wendeiförmige Umlenkvorrichtung 42 wendel- bzw. schraubenlinienförmig nach unten zum Boden des Käfigs. Die wendeiförmige Umlenkvorrichtung kann einen einzigen, sich nach unten erstreckenden
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Flansch 44 umfassen und an der Außenkante 46 an einer Reihe von den Käfigumfang begrenzenden Horizontalringen 68 mit den Abmessungen 0,63 χ 1,27 χ 91,44 cm Durchmesser (1/4 χ 1/2 χ 36 Zoll) angeschweißt sein. Die Ringe 68 ihrerseits können an 50,8 χ 0,63 cm (2 χ 1/4 Zoll) Stützelementen 48 angeschweißt sein, die sich vertikal nach oben und unten erstrecken. An der Außenseite der Stützelemente 48 sind mehrere nach unten und außen geneigte Sprühumlenkglieder 50, 52, 54, 56, 58 und 60 befestigt. An der Unterseite des Käfigs 21 ist ein Stützrand 66 angebracht, der mehrere 50,8 χ 0,63 cm (2 χ 1/4 Zoll) starke Stützarme 62 und 64 umfaßt, die sich zum Abstützen eines Abgabekegels 70 für die Knollen nach innen erstrecken. Von dem Kegel kann eine Kegelverlängerung 72 mit einem Außendurchmesser von 53,34 cm (21 Zoll) zu einem hier nicht gezeigten axialen Knollensammelgefäß führen.
Eine Bodenpfanne 74 ist mit geneigter Achse so abgestützt, daß ihr unteres Ende 45,72 cm (18 Zoll) tiefer liegt als ihr oberes Ende. Von dem unteren Ende führt ein normales Abflußrohr 76 weg, durchlas Wasser abgeleitet wird, welches zentrifugal durch die Seiten des Käfigs in den zwischen dem Käfig 21 und der Innenwand des Mantels 20 gebildeten Ringraum 23 abgegeben wurde. Wie Figur 6 zeigt, kann über einem Einstiegloch ein Deckel 78 am Mantel 20 mittels Schraubbolzen 80 mit Vierkantkopf befestigt sein. Die Schraubbolzen sind an den Seiten des Mantels 20 durch Heftschweißen angebracht und weisen eine 0,63 cm (1/4 Zoll) dicke Gummidichtung 81 sowie eine Mutter- und Unterlegscheibenanordnung 82 auf.
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Die hier gezeigte Vorrichtung wurde zum Abtrennen von Knollen aus Seewasser unter Uingebungsbedingungen eingesetzt, und ihre Leistung betrug 60 Tonnen Knollen in der Stunde.
Es liegt auf der Hand, daß verschiedene andere Arten von durchlässigen Käfigen und wendelförraigen Umlenkvorrichtungen im Rahmen der Erfindung verwendbar sind, wie auch der vorgeschlagene Aufbau vergrößert oder verkleinert werden kann.
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Claims (1)

  1. Ansprüche
    1. Verfahren zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem Fluid, das eine Flüssigkeit-Feststoff-Suspension aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß ein Strom aus Flüssigkeit und Feststoffen innerhalb eines poröse Wände aufweisenden Rohres in im wesentlichen zur Innenfläche der porösen Wand tangentialer Richtung so abgegeben wird, daß sich der Strom schraubenlinienförmig um die Innenfläche der Wand herum bewegt, daß die Flüssigkeit durch die poröse Wand des Rohres abgegeben wird, während die Feststoffteilchen innerhalb des Rohres zurückgehalten werden, und daß die Feststoffteilchen nach Abgabe der Flüssigkeit aus dem Inneren des Rohres gewonnen werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom aus Feststoffteilchen und Flüssigkeit in einer schraubenlinienförmigen Bahn innerhalb des Rohres geleitet wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die poröse Wand abgegebene Flüssigkeit aufgefangen wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die durch die poröse Wand hindurchtretende Flüssigkeit mitgerissenes Gas enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Flüssigkeit und Luft in Richtung nach unten gegen eine die poröse Wand um-
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    gebende Oberfläche geleitet wird, derart, daß das mitgerissene Gas von der Flüssigkeit getrennt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom vor seiner Abgabe in das Rohr durch eine schraubenlinienföritiige Leitung mit polygonalem Querschnitt geleitet wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidgemisch ein schäumendes Dreiphasenfluid mit Wasser, Luft und Erzknollenpartikeln vom Meeresboden aufweist und aus einer Mammutpumpeηanlage herausströmt.
    7. Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem Fluid, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche-1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Rohr (21) mit poröser Wandung, einen Fluideinlaß (32,34) , der Fluid in ein erstes Ende des Rohres in im allgemeinen zur Wand des Rohres tangentialer Richtung leitet, und einer Einrichtung (70) zum Sammeln von Feststoffteilchen am zweiten Ende des Rohres.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Rohres (21) eine schraubenlinienförmige Führungseinrichtung (42,44) vorgesehen i.-st, die mit dem Rohr mit poröser Wandung am Fluideinlaß verbunden ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn-, ;ß das Rohr (21) innerhalb eines äußeren Behälters (20)·
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    so angeordnet ist, daß ein Zwischenraum (23) zwischen dem Rohr und dem Behälter gebildet ist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (20) und das Rohr (21) im wesentlichen konzentrische Zylinder sind, und daß eine Einrichtung zum Auffangen der im Zwischenraum fließenden Flüssigkeit vorgesehen ist.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit der porösen Wandung des Rohres (21) eine Umlenkeinrichtung (50,52...6O) verbunden ist, die durch die poröse Wandung abgegebenes Fluid in Richtung nach unten lenkt.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine schraubenlinienförmige Leitung in Fluidströmungsverbindung mit dem Fluideinlaß steht.
    13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand eine Reihe von horizontalen Gliedern (68) und vertikalen Gliedern (48) aufweist, die an ihren Schnittpunkten zur Schaffung eines Siebes betriebsmäßig miteinander verbunden sind.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Siebes (48,68) horizontale Umlenkglieder (50,52,54,56,58,60) angebracht und derart geneigt sind, daß sie durch das Sieb abgegebene Flüssigkeit in Richtung nach unten lenken.
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