-
-
Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Fett-Wasser-
-
udjóder Ul-Wasser-Emulsionen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Trennung von Fett-Wasser-und/oder Ul-Wasser-Emulsionen.
-
Es entstehen bei einer Reihe von Industrietechnologien unerwünschte
Produkte, die einerseits Nutzstoffe enthalten, die verlorengehen und andererseits
die Umwelt bzw. das lebende Wasser schädigen. Die modernen Industrietechnologien
sind mit immer größer werdendem Wasserverbrauch verbunden. In erster Linie brauchen
die Technologien der Lebensmittelindustrie eine erhebliche Menge an Wasser. Andere
Zweige der Industrie (z.B. der Maschinenbau) verbrauchen weniger Wasser aber mehr
U1. Während der Technologie wird das Wasser mit Fett und Gl vermischt, wobei oft
günstige Bedingungen zur Bildung von unerwiinschten Emulsionen bestehen.
-
Diq Bildung von Fett-Wasser- und/oder Ul-Wasser-Emulsionen wird durch
Pumpen, durch Verwendung von Waschmitteln, durch bakteriologische Faktoren usw.
begünstigt. Auf dem Gebiet des Maschinenbaues werden solche Emulsionen als Kühl-
und Schmiermittel gezielt hergestellt. Viele andere Gebiete können aufgezählt werden,
wo solche Emulsionen gezielt oder unvermeidlich entstehen. Diese Emulsionen gelangen
durch das Kanalnetz in das lebende Wasser, wodurch die Umwelt geschädigt wird.
-
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, durch die
die Absenkung oder Beseitigung des Fett- oder Ulgehaltes des Abwassers bezweckt
ist. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind zur Entfernung von Fett und
Ul in erster Linie dann geeignet, wenn diese nicht als Emulsion auftreten (z.B.
Aufsaugen von Ul durch Perlit und nachfolgende Entfernung des Perlits von der Was-
seroberfläche
usw.). Bei anderen Verfahren werden verschiedene Chemikalien Bugegeben, die aber
selbst weitere Verunreinigungen hervorrufen.
-
Die genannten Verfahren sind nicht geeignet Emulsionen zu trennen,
obschon langwierige Verunreinigungen eben durch diese, in vielen Fällen sehr stabilen
Emulsionen hervor gerufen werden. In der Mehrzahl der Fälle wird die schädliche
Wirkung der Emulsionen durch den biologischen Abbau abgebaut. Dieser Abbau ist jedoch
ein langer Prozess, der eben wegen der langen Zeit sehr umsichtig durchgeführt werden
soll und nur bei solchen Verunreinigungen zu verwenden ist, die durch biologischen
Abbau beseitigt werden können. Bei #l-Wasser-Emulsionen z.B. ist dies wirkungslos.
-
Es sind verschiedene Filteranlagen mit sog. Hilfsmaterial bekannt.
Bei diesen Anlagen wird die Emulsion mittels Oberdruck oder Vakuum durch das eine
Filterschicht bildende Hilfsmaterial in Zwangsströmung gehalten, wobei das Hilfsmaterial
die Fettkügelchen" oder "Ulkörnchen" zuückhalten soll. Die Abmessung der Kügelchen
bzw. Körnchen sind jedoch in den meisten Fällen um Größenordnungen kleiner als die
der Poren zwischen den Körnchen des Hilfsmaterials, so daß die Emulsion diese Poren
leicht passieren kann. Die Körnchengröße des Hilfsmaterials sollte prinzipiell nur
um etwas größer als die Größe der "Kügelchen gewählt werden, um ein effektives Zurückhalten
erzielen zu können. In diesem Falle können jedoch Verstopfungen auftreten. Bei einer
Verstopfung der Filterschicht ist der Durchgang sogar bei extrem großen Druckwerten
ausgeschlossen. Man hat versucht, das Prinzip der Flotation bei der Trennung von
Emulsionen zu verwenden; auch diese Versuche sind jedoch ohne günstige Ergebnisse
geblieben.
-
Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß eine erfolgreiche Flotationswirkung
nur dann erzielt werden kann, wenn es gelingt, den Grenzwinkel der gegenseitigen
Berührung von
Wasser und U1 und/oder Fett, ferner von Luft und/oder
irgendwelchem Gaiswsõ zu modifizieren, daß eine genügende Auftriebskraft zum Anheben
der Kügelchen bis zum obersten Niveau der Emulsion entsteht. Dazu muß jedoch die
das Kügelchen umgebende Wiasserhülle unbedingt aufgerissen werden. Eine solche Krafteinwirkung
ist bei der Flotation nicht gesichert. Auch wenn eine genügende Krafteinwirkung
zum Aufreißen der Wasserhülle bestünde, könnte man nur von einer Anreicherung der
oberen Schicht des Abwassers an Kügelchen sprechen, die Emulsion selbst jedoch erhielte
sich.
-
Durch die sog. elektrophoretischen Trennanlagen, bei denen die die
Kügelchen umgebende Wasserhülle dadurch aufgerissen wird, daß das Wasser durch die
Wirkung elektrischen Stromes im Wasserstoff und Sauerstoff getrennt wird, konnte
man gewisse Ergebnisse erzielen. Dabei haften die entstehenden Gase an den Kügelchen
und heben diese bis zur Oberfläche der Emulsion. Auch bei diesen Anlagen erfolgt
jedoch eine Anreicherung in der oberen Schicht, nicht aber eine solche Trennung,
bei welcher mehrere Kügelchen aneinander haften. Diese Methode ist mit einem erheblichen
Energieverbrauch verbunden und soll wegen gleichzeitigem Entstehen von Wasserstoff
und Sauerstoff mit besonderer Vorsicht durchgeführt werden.
-
Zur Trennung von Emulsionen ist bisher unseres Erachtens die Ultraschallmethode
am besten geeignet, obschon sie kaum bekannt ist. Sie besteht darin, daß die Emulsion
durch eine Flüssigkeitspfeife hindurchgepreßt wird, wobei solche Tonfrequenzschwingungen
entstehen, die die Kügelchen mit einer solchen Kraft zueinander zwingen, daß die
diese umgebende Wasserhülle aufreißt und die Kügelchen aneinander haften und bis
zur Oberfläche der Emulsion aufschwimmen. Die Anlagen solcher Art sind auch zur
Emulsionsherstellung geeignet, wenn die Tonfrequenz entsprechend gewählt ist, weil
beide Vorgänge frequenzabhängig
sind. Diese Anlagen sind mit großem
Energieverbrauch verbunden, ihre Leistungsfähigkeit ist dagegen klein. Ihre Betriebssicherheit
ist schlecht, weil das Abwasser praktisch keine festen Verunreinigungen enthalten
darf. Diese können nämlich den Schlitz der Flüssigkeitspfeife verstopfen.
-
Zweck der Erfindung ist die Beseitigung der genannten Nachteile der
obigen bekannten Lösungen.
-
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung
von Fett-Wasser- und/oder #l-Wasser-Emulsionen derart zu schaffen, daß bei einem
im Vergleich zum bisherigen wesentlich kleineren spezifischen Energieverbrauch eine
wirksamere Emulsionstrennung gesichert ist.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die die in der Emulsion
anwesendenæ und/oder Fettkügelchen umgebende Wasserhülle auch durch das Gegeneinanderstoßen
dieser Kügelchen mit hoher Geschwindigkeit aufgerissen werden kann, was mit der
vorteilhaften Wirkung verbunden ist, daß die Kügelchen (Körnchen) nach dem Aneinanderstoßen
gleich aneinanderhaften. Das Volumen der Kügelchen wird durch das Aneinanderhaften
auf das doppelte erhöht, wodurch ein Aufprallen auf immer weitere Kügelchen mit
größerer Wahrscheinlichkeit erfolgt. Die Aufprallungen wiederholen sich bis zum
völligen Verbrauchen der vorhandenen kinetischen Energie.
-
Es wurde erkannt, daß die wirksamste Art des Gegeneinanderstoßens
dann erzielt werden kann, wenn ein Teil der Emulsion als eine Flüssigkeitshaut in
den restlichen Teil der Emulsion durch deren freie Oberfläche hineingeschossen wird.
Diese dünne aber kontinuierliche Emulsionshaut kann sogar dünner als die Emulsionstropfen
an sich sein, weil die Tropfen selbstständig nach einem minimalen Energie-
zustand
strebend eine kugelige oder annähernd kugelige Form annehmen, während innerhalb
der dünnen aber kontinuierlichen Haut sie eine stark gedehnte Form haben. So kann
die Emulsionshaut wie eine Klinge mit minimalem Energieverlust in den restlichen
Teil der Emulsion hineindringen (der schon eingedrungene Hautteil bereitet sozusagen
den Weg für die weiteren Hautteile).
-
Die gemäß der Erfindung angewendete Flüssigkeitshaut hoher Geschwindigkeit
kann sogar mittels des Druckes; einer herkömmlichen Zentrifugalpumpe hergestellt
werden.
-
So wird der Energieverbrauch wesentlich kleiner als bei den bekannten
Verfahren.
-
Die auf die Oberfläche geschossene dünne kontinuierliche Emulsionshaut
dringt viel tiefer in den restlichen Teil der Emulsion hinein, als eine mit gleichem
Energieverbrauch hergestellte vergaste Emulsion (zerrissene Haut), und erzielt eine
viel wirksamere Trennung der Emulsion als eine Haut großer Geschwindigkeit, die
unter der Oberfläche hergestellt wird. Versuche haben gezeigt, daß bei eimer unter
der Oberfläche erzeugten Haut die Flotation der Kügelchen sogar durch Zugabe von
Luft unter die Oberfläche nicht begünstigt werden kann; dabei wird zusätzlich der
ohnedies minimale Wirkungsgrad der Trennung der Emulsion weiter sinken.
-
Es wurde auch festgestellt, daß die Anwendung von zwei sich kreuzenden
Flüssigkeitshäuten keine genügend wirksame Emulsionstrennung mit sich bringt, weil
die Wahrscheinlichkeit der Kollision gering ist.
-
Aufgrund der obigen Erkenntnisse wird die gestellte Aufgabe durch
ein Verfahren zur Trennung von Fett-Wasser-und/oder #l-Wasser-Emulsionen gelöst,
bei dem die die Fett- und/oder Ul-Tröpfchen der Emulsion umgebende Wasserhülle aufgerissen,
dadurch die Fett- und/oder #l-Tröpfchen vereinigt, dann bis zu der Oberfläche der
Emulsion
aufgeschwommen und von dort - vorzugsweise durch Abschöpfen
- entfern werden, wobei erfindungsgemäß ein Teil der Emulsion in eine kontinuierliche
Flüssigkeitshaut verwandelt wird, die eine solche Geschwindigkeit aufweist, daß
sie durch die freie Oberfläche des restlichen Teiles der Emulsion eindringen kann,
und diese Flüssigkeitshaut - vorzugsweise unter einem spitzen Winkel - auf die freie
Oberfläche des restlichen Teiles geschossen wird.
-
Bei einer vorteilhaften Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der restliche Teil der Emulsion - vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit, die
mindestens um eine Größenordnung kleiner als die Geschwindigkeit der Flüssigkeitshaut
ist - in Strömung gehalten.
-
Zweckmäßig wird eine solche Flüssigkeitshaut verwendet, die sich in
Richtung zu der freien Oberfläche des restlichen Teiles der Emulsion als eine Kegelfläche
erweitert.
-
Vorteilhaft wird der die Flüssigkeitshaut bildende Emulsionsteil durch
Rotation auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt.
-
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Trennung von
Fett-Wasser- und/oder #l-Wasser-Emulsionen gelöst, die ein die zu trennende Emulsion
aufnehmendes Becken mit offener Oberfläche, ein Mittel zum Aufreißen der Wasserhülle
der Fett- und/oder Ul-Tröpfchen der Emulsion und ein Mittel zur Entfernung der auf
die Oberfläche aufgeschwommenen Fett- und/oder Ul-Tröpfchen aufweist, wobei erfindungsgemäß
das Mittel zum Aufreißen der Wasserhülle der Fett- und/oder Ul-Tröpfchen der Emulsion
ein oberhalb der Oberfläche angeordneter Rotationserzeuger ist, der einen zylindrischen
hohlen Oberteil, eine daran angeschlossene tangentiale Einlauföffnung, einen an
dem Oberteil von unten angeschlossenen, sich nach unten verjüngenden - vorzugsweise
konischen - Unterteil, sowie ein am unteren Ende des Unterteils angeschlossenes,
sich nach unten erweiterndes Austrittselement aufweist.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße
V g im Oberteil einen zentralen zylindrischen Einsatz auf, der an seinem unteren
Ende als Rotationsparaboloid gestaltet ist.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Einlauföffnung
über eine Rezirkulationspumpe mit einem Teil des Beckens unter der Oberfläche verbunden.
-
Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere zueinander
parallelgeschaltete Rotationserzeuger auf, die oberhalb der Oberfläche nebeneinander
angeordnet sind.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen durch Ausfiihrungsbeispiele
erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung
der Treffstelle der Emulsionshaut und des restlichen Teiles der Emulsion, Fig. 2
einen Rotationserzeuger zur Herstellung einer Emulsionshaut großer Geschwindigkeit,
im Längsschnitt, Fig. 3 einen Schnitt längs der Ebene III-III aus Fig. 2, Fig. 4
die Anordnung eines Rotationserzeugers gemäß Fig. 2 und 3 über einem Emulsionsbecken
mit freier Oberfläche, Fig. 5 die prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung zur Trennung
von Emulsionen mit Hilfe eines Rotationserzeugers gemäß Fig. 2 und 3, Fig. 6 die
schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Trennung von Emulsionen mit mehreren
Rotationserzeugern und
Fig. 7 die schematische Draufsicht der Vorrichtung
gemäß Fig 6.
-
Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 befindet sich in einem Becken 13 mit
freiliegender Oberfläche eine zu trennende Fett-Wasser- und/oder #l-Wasser-Emulsion,
in welcher die mit schraffierten Kreisen bezeichneten Fett- und/oder O1-tröpfchen
von einer Wasserhülle umgeben sind.
-
Ein Teil der zu trennenden Emulsion wird mit Hilfe einer (nicht dargestellten)
Pumpe entnommen und mittels eines (ebenfalls nicht dargestellten) Rotationserzeugers
in eine kontinuierliche Flüssigkeitshaut 12 überführt, die mit großer Geschwindigkeit
unter einem spitzen W-inkel in den restlichen Teil der Emulsion durch die freie
Oberfläche dieses Teils hindurch hineingeschossen wird. Die Geschwindigkeit v der
Flussagkeitshaut 12 wird so gewählt, daß die Haut kontinuierlich bleibt (keine Vergasung
erfolgt).
-
Der Emulsionsteil im Becken 13 wird mit einer wesentlich, mindestens
um eine Größenordnung kleineren Geschwindigkeit als v der Flüssigkeitshaut 12 entgegengeströmt.
-
Die die Flüssigkeitshaut (Emulsionshaut) 12 bildenden Tröpfchen großer
Geschwindigkeit stoßen nach ihrem Eindringen mit langsam strömenden Tröpfchen zusammen.
Infolge des Zusammenstoßens wird die Wasserhülle der beiden Tröpfchen aufgerissen
und die Tröpfchen haften aneinander. Die vereinigten Tröpfchen springen weg und
durch ihr Zusammenstoßen mit weiteren Tröpfchen werden sie immer größer, bis sie
ihre Energie völlig verlieren.
-
Eine Flüssigkeitshaut 12 mit großer Geschwindigkeit kann z.B. mittels
eines Rotationserzeugers 11 gemäß Fig. 2 und 3 hergestellt werden. Der Rotationserzeuger
11 weist einen zylindrischen hohlen Oberteil 2 und einen an diesem von unten her
angeschlossenen, sich nach unten konisch verjüngenden hohlen Unterteil 3 auf. Der
Oberteil 2 ist mit einer tangetialen Einlauföffnung 1 versehen.
-
Am unteren Ende des Unterteiles 3 ist ein sich nach unten erweiterndes
Äus#ri#tselement 7 angeschlossen.
-
Der Oberteil 2 ist mit einem zentralen zylindrischen Einsatz 4 versehen,
dessen unteres Ende als ein in den Unterteil 3 hineinreichendes Rotationsparaboloid
5 gestaltet ist. Die innere Fläche des Rotationserzeugers 11 ist mit einem Belag
6 aus einem verschleißfesten elastischen Material (z.B. Weichgummi oder Kunststoff)
versehen.
-
Der in den Rotationserzeuger 11 gemäß Fig. 2 und 3 durch die Einlauföffnung
1 unter Druck eintretende Emulsionsteil wird im zylindrischen Oberteil 2 nach unten
gehend in eine Rotationsbewegung entlang der inneren Seite der Wand des Oberteiles
2 gezwungen. Seine Rotationsgeschwindigkeit wird immer größer, bis er das Austrittselement
erreicht.
-
Der Einsatz 4 verhindert das Entstehen von überflüssigen und Energieverluste
hervorrufenden Energieumwandlungen in der Emulsion.
-
Die im Unterteil 3 rotierende strömende Emulsion füllt den zur Verfügung
stehenden Raum nicht mehr aus, weil ihre Rotationsgeschwindigkeit längs der geometrischen
Achse unendlich sein sollte. Sie dringt nur bis zu einem Radius ein, bei welchem
die Gesamtenergie der Emulsion die Energieumwandlungen noch decken kann. Somit entsteht
längs der Rotationsachse ein emulsionsfreier Raum, in dem die Luft die jeweilige
Rotationsgeschwindigkeit der Emulsion annimmt. Die Luft bildet also ein Wirbel rohr,
das den Strömungsgesetzen entsprechend nur an seinem eigenen Medium oder an einem
mit seinem eigenen Medium übereinstimmenden ruhenden, nicht strömenden Medium enden
kann. So befindet sich sein oberes Ende an der Spitze des Paraboloids des Einsatzes
5 (der vorzugsweise aus Metall, Kunststoff, Gummi usw. besteht). Das andere Ende
kann
jedoch nicht an dem engsten Querschnitt liegen, weil die Emulsion an dieser Stelle
ihre Bewegung mit größter Rotationsgeschwindigkeit durchführt und daher auch diesen
Querschnitt nicht vollständig ausfüllen kann.
-
Das Luftwirbelrohr tritt aus dem Rotationserzeuger 11 aus und besteht
solange, bis seine Energie durch die äußere Luft aufgezehrt wird oder es mit einem
anderen Medium in Berührung kommt. Das LuftLSirbelrohr endet also an der freien
Oberfläche des mit der Geschwindigkeit u strömenden Emulsionsteiles (Fig. 4).
-
Die der geometrischen Achse entsprechend gerichtete Geschwindigkeit
der rotierend nach unten strömenden Emulsion nimmt gemäß des Verhältnisses der Querschnitte
stufenweise zu, bis der engste Querschnitt des Rotationserzeugers erreicht wird.
Dann tritt die Emulsion in das auswechselbare Austrittselement 7 hinein, wo sie
unter der Wirkung der Zentrifugalkraft der inneren Kontur des Austrittselementes
7 rotierend folgt und nach dem Austritt eine regelmäßige Konusform annimmt. Weil
bei der freien Strömung längs der Konusfläche der Durchmesser des Konus immer größer
wird, wird die Emulsionsschicht infolge der Volumenständigkeit immer dünner, bis
sie sich in eine Haut umwandelt. Gemäß den Gesetzen der freien Strömung bleibt die
axiale Geschwindigkeit der Haut, abgesehen von der Wirkung der Gravitationskraftfeldes,
konstant, bis sie die Oberfläche des langsam strömenden Emulsionsteiles erreicht.
-
Der. Rotationserzeuger 11 wird in einer Höhe angeordnet, bei welcher
die Flüssigkeitshaut sich noch nicht in selbstständige Emulsionströpfchen zersetzt.
Diese Höhe kann gemäß des obigen einfach bestimmt werden. So kann bei einer anderen
Emulsion derselbe Rotationserzeuger 11 verwendet werden; nur die Entfernung von
der freien Oberfläche soll entsprechend geändert werden.
-
Ein äußerst wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
best"eRt-darin, daß die in den Rotationserzeuger 11 eingedrungenen festen Teilchen
auch den unteren engsten Querschnitt der Anlage ohne Hindernis passieren können,
also keine Verstopfung auftreten kann.
-
Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 weist ein Becken 13 mit offener Oberfläche
zur Aufnahme der zu trennenden Emulsion auf, das mit einem üblichen Oberfallwehr
16 zur Entfernung des aufgeschwommenen Fettes und/oder Uls versehen ist. Oberhalb
der Oberfläche des Beckens 13 ist der Rotationserzeuger 11 angeordnet, dessen Einlauföffnung
über eine Pumpe 14 mit einem Teil des Beckens 13 unter der Oberfläche verbunden
ist. Die frische Emulison gelangt durch einen mit dem Pfeil 15 bezeichneten Einlauf
in das Becken 13 hinein. Das Wasser wird gemäß der Richtung des Pfeiles 17 abgeleitet
bzw. rezirkuliert.
-
Die mittels des Rotationserzeugers 11 gebildete konische Flüssigkeitshaut
12 dringt durch die freie Oberfläche in den im Becken 13 befindlichen Emulsionsteil
hinein und trennt die Emulsion in der schon beschriebenen intensiven Weise. Fig.
6 zeigt eine vorteilhafte reihenweise Anordnung mehrerer Rotationserzeuger 11 nebeneinander
oberhalb des Beckens 13 mit großer freier Oberfläche. Die Entfernung der Rotationserzeuger
11 voneinander wird so gewählt5 daß die konischen Emulsionsfilme einander nicht
kreuzen. Die Rotationserzeuger 11 können zueinander parallel geschaltet von einer
einzigen Pumpe gespeist werden.
-
Aus den Ergebnissen von Versuchen, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchgeführt worden sind, werden beispielsweise die folgenden gezeigt:
Fettgehalt
der Emulsion mg/Liter vor de9rTrennung nach der Trennung 1. 1400 450 2. 500 360
3. 160 130 Bei diesen Versuchen wurde nur ein Viertel der entstehenden Emulsion
durch den erfindungsgemäßen Rotationserzeuger hindurchgeführt. Die Zahlenwerte der
zweiten Spalte beziehen sich auf die gesamte Menge der Emulsion, die Meßergebnisse
enthalten also auch den Fettgehalt des nicht behandelten dreiviertel Teiles.
-
- L e e r s e i t e - -