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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung des Übertrags
bzw. der Verschleppung von feinen Feststoffen. Insbesondere, obwohl
nicht ausschließlich,
bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung zur Aufnahme einer
Aufschlämmung
aus einer Rohrleitung oder Leitung in einem Druckgefäß, welches
mit einer Fluidisationseinheit für
den weiteren Transport bei einer erhöhten Temperatur, eingestellten
Konzentrationen, Geschwindigkeiten, und Fließraten ausgestattet ist, um
einem bestimmten Prozess oder einem Transporterfordernis zu entsprechen,
und insbesondere auf die Behandlung von feinen Feststoffen, die
in einer flüssigen/festen
Aufschlämmung
mitbefördert
werden und sich langsam absetzen oder auftriebsneutral sind, wie
etwa radioaktive Abfälle
aus Absetzbecken in Kernkraftwerken, oder Elemente der seltenen
Erden oder andere Elemente in der Bergbauindustrie und der industriellen Gewinnung
von Bodenschätzen.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
der Stilllegung von Kernkraftwerken besteht die Notwendigkeit, Nassabfälle zu behandeln. Diese
Abfälle
bestehen aus Feststoffen wie etwa Sanden aus alten Filterbetten,
Ionenaustauscherharzen, Aktivkohle und Abfällen von Wäschereien sowie Waschwässer. Die
Partikel lässt
man mit der Zeit sich in Becken absetzen, bei denen es sich um speziell konstruierte
Tanks handelt, wie etwa Endlager- und Überwachungstanks. Dabei entsteht
eine Schlammschicht am Boden des Tanks, die in sicherer Weise entfernt
und einem Zementationsprozess zugeführt werden muss, um diesen
radioaktiven Abfall für
eine sichere Entsorgung zu kapseln.
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In
der
GB 0212728.0 ist
eine Fluidisationseinheit beschrieben, die einen Wirbelstrom erzeugt und
Feststoffe wie etwa Abfallschlamm fluidisiert, und die dazu verwendet
werden kann, diese Feststoffe bei der erforderlichen relativen Dichte
einem Zementations- oder Sinterprozess zuzuführen, oder einer anderen Art
der Endlagerung, wie etwa in Containern/Fässern zur unterirdischen Aufbewahrung
in speziell konstruierten tiefen Bergwerksstollen oder Bohrlöchern in
den Gesteinsschichten.
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Die
US-Patente Nr. 4,978,251 ,
4,952,099 ,
4,992,006 und
5,853,266 offenbaren Fluidisationseinheiten,
die auch für
den Transportvorgang verwendet werden könnten.
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In
der Praxis hat die Art von Schlamm, die man antrifft, tendenziell
einen sehr hohen Anteil kleiner Partikel typischerweise im Bereich
von 0,1 Mikrometer bis 30 Mikrometer. Diese Partikel können auch eine
Struktur haben, die zum Beispiel auf miteinander verzahnten oder
verhakten Plättchen
von Lehm beruht, die eine hohe Porosität haben, was in Verbindung
mit ihrer Größe dazu
führt,
dass sie in Wasser nahezu auftriebsneutral sind, oder sich zumindest sehr
langsam absetzen.
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Die
Geschwindigkeit, mit der sich diese Feststoffe absetzen, lässt sich
mittels des Stokes'schen Gesetzes
berechnen, wobei Größen wie
etwa die Dichte der Feststoffe, die Wassertemperatur und die Viskosität des Wassers,
die Form der Feststoffpartikel, erwartete Partikelwechselwirkungen
und Konzentrationen angenommen werden, die alle bekannt sind und
auf der normalen Schwerkraft beruhen. Dies ist besser bekannt als
gehinderte Partikelabsetzgeschwindigkeit und lässt sich typischerweise in
Bruchteilen eines Millimeters pro Sekunde messen. Daher kann unter
der Voraussetzung, dass die Partikelgrößenverteilung bekannt ist,
auf der Grundlage der Größe, Volumina
und Auszählungen
pro Milliliter eine vernünftige
Abschätzung
bezüglich
des Zeitbetrags gemacht werden, den die Partikel brauchen, um sich in
einer bestimmten Zeit eine bestimmte Strecke weit abzusetzen, was
in der Separationstechnik normalerweise als erforderliche Retentionszeit
bezeichnet wird.
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Basierend
darauf kann die Größe eines
eine Aufschlämmung
aus feinen Feststoffen aufnehmenden Tanks oder Druckgefäßes größenmäßig bestimmt
werden, um sicherzustellen, dass durch die Verdrängung von Wasser aufgrund von
sich absetzenden Feststoffen oder Pumpensaugwirkungen keine Feststoffe über die
Oberseite bzw. den oberen Rand des aufnehmenden Gefäßes ausgetragen
werden. Ein solches Gefäß könnte abschreckend
groß sein
und auch wirtschaftlich nicht realisierbar, und auch zu viel Zeit
benötigen,
um die Abtrennung zu bewirken oder eine Verschleppung von Feststoffen zu
verhindern.
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Die
Patentbeschreibung
CA 2007250 zeigt ein
System zur Aufnahme einer Aufschlämmung für einen Hydrotransport unter
Einsatz einer Fluidisationseinheit, bei welchem ein geneigtes torusförmiges Gefäß verwendet wird,
das aus Rohren mit 180°-Umkehrbögen an jedem
ihrer Enden aufgebaut ist, wobei das überströmende Wasser, das von einfließenden Feststoffen
verdrängt
wird, im Bestreben, eine Verschleppung von Feststoffen zu verhindern,
durch einen Plattenseparator in Laminarbauart strömt. In der Praxis
sind die feinen Feststoffe zu klein, um durch diese Maßnahme effektiv
aus dem überfließenden Wasser
entfernt werden zu können.
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In
Bezug auf die Anwendung, die zur Stilllegung von Kernkraftwerken
erörtert
wurde, wäre
dies nicht akzeptabel, da die überfließenden Wasserströme zurück zu dem
Tank geleitet werden würden,
der gereinigt wird, und somit all die feinen Feststoffe dorthin
zurückgelangen,
wo sie herkamen; die unbedingt notwendige Maßnahme, das Wasser im Tank schließlich zu
reinigen, würde
durch diesen Rücklauf von
Feststoffen verschlimmert, da das Wasser normalerweise zu einem
Membranfilter, einer RO-Einheit oder einem Molekularsieb gepumpt
werden würde,
die alle an betriebsbezogenen Problemen leiden würden, wenn ihnen hohe Anteile
von Feststoffen zugeführt
werden, da ihre primäre
Funktion darin besteht, als Tertiär- oder Feinstreinigungsfilter
zu wirken. Alle aus diesen Einheiten abgezogenen Feststoffe würden in
sicherer Art und Weise zurück
zum Transportgefäß geleitet
werden müssen,
um beispielsweise dem Zementationsprozess zugeführt zu werden.
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Die
Druckschrift
JP 63-130134 zeigt
ein System zum Entnehmen von Filtermaterial von der Oberfläche eines
Betts, um in eine Wirbelkammer eingeleitet zu werden.
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Aussage der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Einrichtung zur Aufnahme einer Aufschlämmung aus gemischten,
sich schnell oder langsam absetzenden Feststoffen bereitgestellt,
mit Einrichtungen zur Reduzierung des Volumens des aufnehmenden
Gefäßes und
zur Sicherstellung, dass keine vorgegebenen, feinen Feststoffe zurück zum Tank
verschleppt werden, wo sie herkamen, sondern vielmehr im Gefäß gefangen
bleiben, um zu gewährleisten,
dass sie während
des Transportverfahrens dem nächsten, nachgeschalteten
Prozesssystem zugeführt
werden können.
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Die
Vorrichtung umfasst:
Ein Druckgefäß mit vorzugsweise einer tangentialen Aufschlämmungseinlasseinrichtung,
die eine Wirbelbewegung der Aufschlämmung entlang der Wandung des
Gefäßes verursacht,
und den Vorgang fördert, dass
größere oder
schwere Feststoffe schnell zur Außenseite des Gefäßes hin
wandern und dabei einen gewissen Teil der kleineren Feststoffe dahingehend unterstützen, mit
den größeren Feststoffen
mitzuwandern und sich nach unten am Gefäßboden abzusetzen.
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Ein
simples Leitblech, das eine Kurzschlussströmung bzw. Überströmung zu der Filtermittel-Sandwichvorrichtung
unterbindet, während
es einen im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn laufenden, ringförmigen Durchlauf
im Gefäß ausbildet, und
folglich der Strömung
der Aufschlämmung
eine Wirbelbewegung erteilt, wobei nach Möglichkeit der kleinstmögliche Druckabfall
oder Gegendruck an der Aufschlämmungszufuhrleitung
herrscht.
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Eine
Filtermittel-Sandwichanordnung, bestehend aus dünnem, perforierten Metallblech
oder Sieben in Keildrahtbauart, und derart konstruiert, dass das
innerhalb der Filtermittel-Sandwichplatten enthaltene Filtermittel
nicht entweichen kann. Bei solchen Filtermitteln kann es sich um
Keramikkugeln, Ionenaustauscherharz, neuen oder gebrauchten Sand, Faserstoffe
oder andere lose, unregelmäßig gepackte
Filtrationsmittel handeln, ganz wie sie für eine bestimmte Aufgabe erforderlich
sind. Die Filtermittel-Sandwichanordnung ist mit einer Einrichtung
ausgestattet, um von außerhalb
des Gefäßes einen
Auslasskanal an ihrem Boden zu öffnen,
damit die Filtermittel frei zum Boden des Gefäßes fallen können, und
mit einer Einrichtung an ihrer Oberseite zur Aufnahme einer frischen
Füllung
der Filtermittel. Das Unterteil der Filtermittel-Sandwichanordnung
ist in der Praxis normalerweise so konstruiert, dass es kegelförmig ist,
um sowohl die Oberfläche
zu vergrößern, was
wiederum die Filtrationsfließrate
(Einheitsstrom pro Einheitsfläche
pro Einheitszeit) und in der Folge den Druckabfall durch die Filtermittel-Sandwichanordnung
reduziert, als auch sicherzustellen, dass für die Filtermittel innerhalb
der Sandwichanordnung der richtige Schüttwinkel besteht, so dass sie
nach außen
gelangen, sobald der Auslasskanal geöffnet wird.
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Eine
Wirbeleinheit bzw. Fluidisationseinheit der vorstehend erwähnten Art
für den
Austrag von Feststoffen aus dem Gefäß, wobei die Einheit von der
Bauart sein kann, die einen Einlass für Wasser und einen separaten
Auslass für
die Aufschlämmung erforderlich
macht, oder irgendeine andere Fluidisationseinheit, die mit der
Saugwirkung einer Aufschläm mungspumpe
oder Strahlpumpe oder einem Zumischer arbeitet, wie dies von Zeit
zu Zeit akzeptabel sein kann, mit einer Ventileinrichtung zur Blockierung einer
Strömung
durch die Ventileinrichtung sowohl an einer Einlass- als auch an
einer Auslassdüse.
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Ein
Ausgleichsströmungsring
oder Verteilungssystem, der bzw. das ermöglicht, dass ein gewisser Teil
des Wassers zum Einlass in die Fluidisationseinheit strömt, um zur
Oberseite des Gefäßes zu gelangen
und nach unten durch die Filtermittel-Sandwichanordnung zu fließen.
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Eine
Aufschlämmungsaustragdüse mit einer Ventileinrichtung,
um ein Ausfließen
aus dem Gefäß zu verhindern.
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Eine
an der Oberseite angebrachte Düse,
die es ermöglicht,
dass überfließendes Wasser
oder Wasser, das aufgrund einer Saugwirkung zu einem Pumpeneinlass
zurückströmt, aus
dem Gefäß überströmen kann;
dieses Wasser müsste
mit einer vorbestimmten Fließrate
pro Einheitsfläche
durch die Filtermittel-Sandwichanordnung geleitet werden, so dass
alle feinen Feststoffe in dem Wasser ausgefiltert werden und einen
Kuchen am unteren Flächenrand der
Filter-Sandwichanordnung bilden. Dies findet während der Einlassphase der
Aufschlämmung
statt. Sobald zwischen dem Aufschlämmungseinlassrohr und dem Überlauf/der
Pumpensaugdüse
ein Delta P (Druckabfall) mit einer vorbestimmten Höhe gemessen
wird, zeigt dies an, dass in der Filtermittel-Sandwichanordnung
eine ausreichend starke Kuchenschicht besteht, um bei dem infrage
kommenden Speisedruck eine Strömung
zu unterbinden. Sobald die durch die Bauart vorgegebenen Bedingungen
erreicht sind, wird das Aufschlämmungseinlassventil geschlossen,
der Überlauf/Pumpenansaugauslass wird
geschlossen, die Einleitung in die Fluidisationseinheit wird geöffnet, wobei
es sich um die Ausgleichsströmung
handelt, und das Aufschlämmungsaustragventil
wird geöffnet.
Dann wird die Aufschlämmung
aus dem Gefäß heraustransportiert,
und zwar bei den gegebenen Konzentrationen und Drücken, die
für stromabwärts herrschende
Bedingungen erforderlich sind. Die Strömung, die zum Ausgleichsströmungsverteiler
an der Oberseite des Gefäßes gelangt,
strömt
nach unten durch die Filtermittel-Sandwichanordnung und bewirkt eine Rückspülung und
Reinigung des Kuchens von feinen Feststoffen vom unteren Rand der
Filtermittel-Sandwichanordnung.
Der Kuchen gelangt in die Fluidisationseinheit, um zum nächsten Prozess
transportiert zu werden. In den Fällen, wo die Fil termittel-Sandwichanordnung
schwierig zu reinigen ist, kann zum Beispiel eines der folgenden
Verfahren verwendet werden, um sicherzustellen, dass sie in dieser
Position gereinigt wird:
- (1) Injektion von
chemischen/oberflächenaktiven Stoffen
- (2) Ultraschallwandler
- (3) Einsatz eines Hochdruckluftstrahls
- (4) Erzwingung einer Änderung
in der natürlich auftretenden
elektrischen Ladung zwischen Filtermitteln, Wasser und Feststoffpartikeln,
d. h. Modifizierung des Zeta-Potentials, um eine abstoßende Kraft
zu verursachen.
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Sobald
das Transportgefäß leer ist,
was durch eine Dichtemesssonde oder mit Ultraschall arbeitenden
Pegeldetektoren oder ähnliches
bestätigt werden
kann, kehrt das Gefäß wieder
in die Füllbetriebsart
zurück.
Das System kann durch Aufnahme eines Zusatzgefäßes ggf. so verwendet werden, dass
eine Aufschlämmung
mit eingestellten Konzentrationen und Fließraten kontinuierlich abgegeben wird.
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Am
Ende der Reinigungsarbeiten am Tank werden die Filtermittel in der
Filtermittel-Sandwichanordnung in den Bodenbereich des Gefäßes fallen gelassen,
um dann dem Zementationsprozess zugeführt zu werden, oder wo auch
immer es benötigt wird.
Nun kann das Gefäß chemisch
gereinigt und dekontaminiert und zum nächsten Projekt bewegt werden.
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Das
vorstehend beschriebene System kann gleichermaßen bei der Anreicherung von
seltenen Elementen und seltenen Erden verwendet werden, die sehr
fein sind. Die aus dem Transportgefäß abgelassene Aufschlämmung könnte dann
Feststoff-/Flüssigkeits-Wirbelkammern
zugeführt
werden, um die Konzentration der sich ergebenden Aufschlämmung noch
weiter zu steigern. Dieses reduzierte Volumen könnte dann an ein Zentrifugen-
oder Vakuumtrocknungssystem weitergeleitet werden, je nach Machbarkeit.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine strömungsbezogene
Schemaanordnung einer Art des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung:
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Ein
Druckgefäß 1 mit
vorzugsweise einer tangentialen Aufschlämmungseinlasseinrichtung 2, die
die Aufschlämmung
entlang der Wandung des Gefäßes 1 eine
Wirbelbewegung ausführen
lässt, wobei
eine schnelle Wanderungsbewegung von größeren oder schweren Feststoffen
zur Außenseite
des Gefäßes 1 hin
gefördert
wird und dabei ein bestimmter Teil der kleineren Feststoffe dahingehend
unterstützt
wird, mit den größeren mitzuwandern
und sich nach unten in Richtung Gefäßboden abzusetzen.
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Ein
zyklonisches Baffle bzw. Leitblech 3 zur Unterbindung eines
Strömungskurzschlusses
in Richtung zur Filtermittel-Sandwichanordnung 4, während innerhalb
des Gefäßes eine
ringförmige
Strömung
entweder im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn verursacht wird
und in der Folge der Aufschlämmungsströmung eine
Wirbelbewegung erteilt wird, und zwar möglichst bei dem kleinstmöglichen Druckabfall
oder Gegendruck in die Aufschlämmungszufuhrleitung 2.
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Eine
Filtermittel-Sandwichanordnung 4, bestehend aus dünnem perforierten
Metallblech oder Sieben in Keildrahtbauart, und so konstruiert,
dass die innerhalb der Sandwichplatten enthaltenen Filtermittel 14 nicht
entweichen können
wobei es sich bei diesem Filtermittel 14 um Keramikkugeln,
Ionenaustauscherharz, neuen oder gebrauchten Sand, Faserstoffe oder
andere, lockere und unregelmäßig gepackte
Filtrationsmittel handeln kann, wie sie für eine bestimmte Aufgabe erforderlich
sein können.
Die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 ist mit einer Einrichtung
ausgestattet, um das Filtermittel von der Oberseite 13 her
einzufüllen,
ohne Zugang zum Gefäß 1 erlangen
zu müssen,
und mit einer Einrichtung zur Öffnung
eines Auslasskanals 5 an ihrem Boden von außerhalb
des Gefäßes 1,
indem ein Filtermittel-Ablassventil 5A betätigt wird,
so dass das Filtermittel 14 ungehindert in Richtung zum
Boden des Gefäßes 1 fallen
kann.
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Eine
Fluidisationseinheit 6 und 6A der vorstehend erwähnten Art
für den
Austrag von Feststoffen aus dem Gefäß 1, mit einer Ventileinrichtung 11 zur
Absperrung des Einlasswasserstroms in die Fluidisationseinheit 6,
und einer Ventileinrichtung 11A zur Absperrung des Auslassstroms
der Aufschlämmung
aus der Fluidisationseinheit 6A.
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Ein
Ausgleichsströmungsring
oder ein Verteilungssystem 7A, der bzw. das ermöglicht,
dass ein Teil des Wassers zum Einlass in die Fluidisationseinheit 6 zurückgelangt,
um an die Oberseite des Gefäßes 1 zu
gelangen und vom Verteilungssystem 7A nach unten durch
die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 zu
fließen.
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Eine
Aufschlämmungsaustragdüse 8 aus dem
Gefäß 1 mit
einer Ventileinrichtung 11A zum Blockieren des Ausströmens der
Aufschlämmung aus
dem Gefäß 1.
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Eine
an der Oberseite angebrachte Düse 9, die
es ermöglicht,
dass überfließendes Wasser
oder Wasser, das aufgrund einer Saugwirkung einer Pumpe 13 zurückströmt, aus
dem Gefäß 1 überströmen kann,
wobei dieses Wasser mit einer vorbestimmten Fließrate pro Einheitsfläche durch
die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 geleitet werden müsste, so dass
alle feinen Feststoffe im Wasser ausgefiltert werden und am unteren
Flächenrand
der Filter-Sandwichanordnung 4 während der Einlassphase der
Aufschlämmung über die
Düse 2 einen
bilden. Sobald zwischen dem Aufschlämmungseinlassrohr 2 und dem Überlauf/der
Pumpensaugdüse 9 ein
Delta P (Druckabfall) mit einer vorbestimmten Höhe gemessen wird, zeigt dies
an, dass in der Filtermittel-Sandwichanordnung eine ausreichend
starke Kuchenschicht besteht, um bei dem infrage kommenden Speisedruck
eine Strömung
zu unterbinden. Alternativ zeigt ein Pegelanzeigesender 15 an,
dass das Gefäß 1 seinen
konstruktionsbedingt vorgegebenen Feststoffpegel erreicht hat und
nun transportfertig ist; dies könnte
gleichermaßen
auch durch eine Wägezelle
erreicht werden. Sobald die durch die Konstruktion vorgegebenen
Bedingungen erfüllt
sind, wird das Aufschlämmungseinlassventil 10 geschlossen,
das Überström- oder
Pumpenansaug-Auslassventil 16 wird geschlossen, das zur
Fluidisationseinheit führende
Ventil 11 wird geöffnet,
wie auch das Ausgleichsströmungsventil 7,
und das Aufschlämmungsaustragventil 11A.
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Die
Aufschlämmung
wird dann aus dem Gefäß 1 ausgetragen.
Die Strömung,
die zu dem an der Oberseite des Gefäßes angeordneten Ausgleichsströmungsverteiler 7A gelangt,
läuft durch
die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 und führt eine
Rückspülung und
Reinigung des Kuchens aus feinen Feststoffen am Bodenrand der Filtermittel-Sandwichanordnung 4 aus.
Der Kuchen gelangt zur Fluidisationseinheit 6 und 6A,
um zusammen mit den größeren und schwereren
Feststoffen zum nächsten
Prozess befördert
zu werden. In den Fällen,
wo die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 schwierig zu reinigen
ist, können über die
Ausgleichsströmung 7 und 7A über die
Ventileinrichtung 17 chemische Mittel eingeleitet werden,
um die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 einem Rückwaschprozess
zu unterziehen. Das Filtermedium 14 kann ggf. auch zum
Boden des Gefäßes 1 abgelassen
werden, indem das Filtermittel-Auslassventil 5A betätigt wird,
damit das Filtermedium 14 mit den kontaminierten Feststoffen
zum nächsten Prozess
befördert
werden kann. Die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 wird
dann wieder mit einem frischen oder besser geeigneten Medium 14 befüllt, was über die
Ventileinrichtung 13 geschehen kann. Und auch wenn eine
weitere Rückspülung der Filtermittel-Sandwichanordnung 4 mit
oder ohne ihr Filtermedium 14 erforderlich ist, kann durch
Schließen
des Ventils 11A und Öffnen
des Ventils 18 – wobei
außer
der Ventileinrichtung 7 alle anderen Ventileinrichtungen
geschlossen sind – eine
kontinuierliche Spülung
erfolgen, was erforderlich sein kann, um die Filtermittel-Sandwichanordnung 4 wieder
in einen sauberen Zustand zu bringen.
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Sobald
das Transportgefäß 1 geleert
ist, was durch eine Dichtemesssonde oder durch mit Ultraschall arbeitende
Pegeldetektoren oder andere Einrichtungen bestätigt werden kann, kehrt das
Gefäß in seinen
Füllmodus
zurück,
und die Sequenz wiederholt sich. Die Hinzufügung einer rohrförmigen Ultraschalleinheit 12 an
der Aufschlämmungszufuhrleitung
kann dazu verwendet werden, die Feststoffe entweder zu vereinzeln,
oder Plättchen
bzw. Lamellen zu verdichten, um ihre eingeschränkte Absetzrate zu unterstützen oder
zu erhöhen.
Die rohrförmige
Ultraschalleinheit 12 könnte
gleichermaßen
auch an der vom Gefäß 1 abgehenden
Aufschlämmungsaustragleitung
angeordnet sein, wobei der Vorteil dann darin besteht, dass durch
eine Partikelgrößenreduktion
auf der Auslassseite des Transportgefäßes 1 der zur Erreichung
des nächsten
Prozesses erforderliche Druck reduziert werden kann, einhergehend
mit einer Abnahme von Viskositäten
und der Temperatur sowie einer Vermischung und Kombination von Partikeln.
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Am
Ende der Tankreinigungsarbeit wird das Filtermittel in der Filtermittel-Sandwichanordnung 4 zum
Boden des Gefäßes 1 abgelassen,
um dem Zementationsprozess zugeführt
zu werden, oder wo auch immer es erforderlich ist. Das Gefäß 1 kann
nun chemisch gereinigt und dekontaminiert und zum nächsten Projekt
bewegt werden.
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(2) ist ein Schnitt durch das Transportgefäß 1,
in der das Entfernen 19 des Kuchens angegeben ist.