DE69413999T2

DE69413999T2 - Vorrichtung und verfahren zum pumpen und trennen einer mischung von gas und flüssigkeit

Info

Publication number: DE69413999T2
Application number: DE69413999T
Authority: DE
Inventors: Paul Olof Fin-02700 Grankulla Meinander
Original assignee: POM Technology Oy AB
Current assignee: POM Technology Oy AB
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2014-12-22
Also published as: CA2179729C; BR9408376A; JP3679806B2; KR100402468B1; JPH09507038A; FI935853A; AU1371295A; ATE172128T1; FI935853A0; US5861052A; WO1995017235A1; EP0735913B1; CA2179729A1; EP0735913A1; DE69413999D1; FI97332B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines Gases, wie Luft, von einer Flüssigkeit oder flüssigen Suspension, wie Wasser oder Pulpe aus der Papierherstellung, in Verbindung mit dem Pumpen dieser Flüssigkeit. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der Vorrichtung zum Pumpen von durch ein Siebgewebe einer Papierherstellungsmaschine drainiertem Abwasser, zum Pumpen von in einem Flotationsprozeß abgetrennten flüssigem Material und zum Abtrennen von Luft aus bei der Papierherstellung anfallender Pulpe.
In vielen Fällen bereitet Gas Probleme, das in einer zu pumpenden Flüssigkeit eingeschlossen ist oder darin gebildet wird. So zum Beispiel behindert das Gas beim Pumpen von gasenthaltenden Flüssigkeiten mit Hilfe einer konventionellen Zentrifugalpumpe den Pumpvorgang. Dabei bildet das von der Flüssigkeit unter dem Einfluß der Zentrifugalkräfte abgetrennte Gas in der Pumpkammer eine allmählich anwachsende Gasblase, welche die Pumpleistung solange mindert, bis die Blase endgültig abgeleitet wird. In Verfahren, die eines konstanten Medienflusses bedürfen, verursachen derartige diskontinuierliche Funktionsweisen erhebliche Störungen.
Zum Beispiel weist Abwasser, das durch ein Siebgewebe in einem Papierherstellungsprozeß drainiert ist, normalerweise einen großen Anteil darin enthaltener Luft auf. Da der kurze Umlauf einer Papierherstellungsmaschine einen besonders konstanten Fluß erfordert, wird die störende Luft aus diesem Grund normalerweise dadurch entfernt, daß das drainierte Abwasser durch spezielle Rohr- oder Kanalsysteme von der oder den Entwässerungskästen zu einem offenen Abwassertank geleitet wird, von woaus es dann in den Faserprozeß der dem kurzen Umlauf vorangehenden Blattbildung zurückgepumpt wird.
In einer dünnen Pulpe eines Papierherstellungsprozesses enthaltende Luft stört die Kontinuität des Flusses in dem kurzen Umlauf und behindert die Blattbildung durch die Ausbildung von Hohlräumen und Löchern in der Papierbahn und die Verzögerung der Wasserdrainage.
Aus den oben genannten Gründen kommt der Entlüftung des drainierten Abwassers im Blattbildungsprozeß eine besondere Bedeutung zu. Folglich sind die Abwassertanks und andere Teile des Systems traditionell für sehr geringe Fließgeschwindigkeiten gestaltet, um zu gewährleisten, daß die enthaltene Luft in einer ausreichenden Zeitspanne aufsteigen und abgetrennt werden kann, bevor das Abwasser in den geschlossenen Teil des kurzen Umlaufs gepumpt wird. Gewöhnlich werden auch separate Entlüftungsvorrichtungen in den kurzen Umlauf integriert, die zur Abtrennung von noch im Abwasser enthaltener oder mit dem Ganzstoff in den kurzen Umlauf eingetragener Luft dienen:
Aufgrund der niedrigen Fließgeschwindigkeiten benötigt die Rückführung des Abwassers in den Faserprozeß eine erhebliche Zeitspanne, was wiederum das Erreichen eines neuen Gleichgewichtszustands nach Prozeßänderungen, wie einer Änderung der Papiersorte, verzögert. Darüberhinaus bedingen die niedrigen Fließgeschwindigkeiten eine Verschmutzung der Tanks und Rohrleitungen aufgrund von Ablagerungen von dispergiertem Material und aufgrund biologischer Aktivität.
In Fällen, in denen Materialien durch Flotation getrennt werden, wie im Zusammenhang mit dem Entfärben von Recyclingaltpapier oder der Rückgewinnung von Fasern aus dem langen Umlauf einer Papierherstellungsmaschine, sind Luftabtrennung, Entschäumen und Pumpen besonders schwierig und erfordern meist separate Entschäumungs- oder Absetzbehälter.
Pumpen zur Abtrennung von Gasen von einer zu pumpenden Flüssigkeit sind als solche bekannt, jedoch ist die Aufgabe solcher Pumpen normalerweise nur die Entfernung eines ausreichenden Teils des Gases, um ein normales Pumpen der Flüssigkeit zu ermöglichen. Die bekannten Pumpen sind meist nicht dazu geeignet genügend Gas abzutrennen, um den erforderlichen Luftgehalt zu erreichen, der benötigt würde, um die Flüssigkeit beispielsweise direkt in einem Papierherstellungsprozeß ohne weitere Entlüftung einsetzen zu können. Entlüftungspumpen sind auch für die Behandlung von Fasersuspensionen mit einem sehr hohen Feststoffgehalt und hoher Viskosität konstruiert worden. In derartigen Pumpen wird die Abtrennung des Gases im allgemeinen durch hohe Scherkräfte erreicht, die zur Verflüssigung der zu pumpenden hochviskosen Flüssigkeit benötigt werden.
Bekannte Pumpen zum gleichmäßigen Pumpen von gasenthaltenden Flüssigkeiten sind beispielsweise in FI 67591, US 4,410,337, US 5,039,320, FI 73023 und FI 75912 offenbart. Diese sogenannten MC-Pumpen wurden zum Pumpen von Ganzstoff mit hohem Festigkeitsgrad (ca. 5% bis 20%) entwickelt, wobei der Ganzstoff im Ansaugkanal der Pumpe verflüssigt werden muß und die Luft durch Scher- und Zentrifugalkräfte abgetrennt wird. Die abgetrennte Luft konzentriert sich im Zentrum der Pumpe und wird auf unterschiedliche Weise entfernt. Aufgrund des kleinen Trennvolumens und der hohen Viskosität der zu pumpenden Flüssigkeiten verläuft die Trennung von Flüssigkeit und Gas in den oben genannten bekannten Pumpen nicht vollständig. Folglich ist eine weitere Trennung des festen Materials und der Flüssigkeit von der entfernten Luft notwendig, wie beispielsweise in der EPA 337394 und EPA 298442 dargelegt.
Die WO 92/03613 offenbart eine Anordnung und ein Verfahren für die Ganzstoff Zuführung, wobei eine Fasersuspension mittels einer "modifizierten" Version einer der oben genannten MC-Pumpen gepumt wird. Jedoch finden sich keine Angaben in der Beschreibung dazu, in welcher Art und Weise die Pumpen modifiziert werden müssen.
In der US-A-4,908,048 wird ein Methode zum Entgasen einer Flüssigkeit durch die Einwirkung von Zentrifugalkräften offenbart. Die Vorrichtung beinhaltet einen Rotor, in dem die abgetrennte Flüssigkeit in einem rotierenden Ringraum gesammelt wird.
Weitere Möglichkeiten zur Abtrennung von Gasen von Flüssigkeiten oder zum Pumpen von Flüssigkeiten, die Dampf enthalten oder in denen sich Dampf entwickelt sind beispielsweise in den Patentschriften US 2,575,568, US 3,203,354, US 3,323,465, US 3,856,483, US 4,201,555, US 3,942,961, US 4,600,413, EP 430636, WO 90/13344 und WO 93/01875 offenbart.
Die Parallelanmeldungen des Erfinders FI 922283 und WO 93/23135 offenbaren eine Gasseparationspumpe zur Trennung von Luft und Wasser aus einer Luft-Wasser-Mischung. Diese Pumpe umfaßt einen stationären hohlen Mantel und einen zentralen Rotor, mit Rotorblättern, die sich mit geringem Abstand zur Wandung des Mantels bewegen, wodurch die Mischung in Form eines dünnen Flüssigkeitsfilms entlang der großen, durch diese Wandung des stationären Mantels gebildeten Gasseparationsoberfläche rotiert. Beim durch die Rotorblätter erzeugten Rotationsvorgang der Mischung entlang der Wandung, trennt sich das Gas von der Flüssigkeit und wird im Zentrum der Vorrichtung gesammelt. Obwohl die genannte Vorrichtung eine Verbesserung gegenüber den vordem bekannten Gasseparationspumpen darstellt, ist sie dennoch nicht geeignet Gas von höher viskosen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Ganzstoff der Papierherstellung abzutrennen. Darüberhinaus kommt es im Fall von leicht schäumenden Flüssigkeiten dazu, daß ein Schäumen durch das Mitreißen der Flüssigkeit entlang der stationären Oberfläche durch die Rotorblätter auftritt. Das Mitreißen der Flüssigkeit entlang dieser Oberfläche erfordert zudem einen Energieaufwand. Daher besteht nach wie vor eine Notwendigkeit zur Verbesserung der Technik der Gasabtrennung während des Pumpens einer Flüssigkeit.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Funktionsweise von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Verwirklichung einer im wesentlichen vollständigen Abtrennung von Gas von einer Flüssigkeit oder einer flüssigen Suspension.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin die zu pumpende Flüssigkeit oder flüssige Suspension im wesentlichen frei von Gas und das Gas im wesentlichen frei von Flüssigkeit bereitzustellen.
Darüberhinaus besteht ein Ziel der Erfindung darin, eine technisch einfache und energieeffiziente Pumpe bereitzustellen, die Gas, wie beispielsweise Luft, im wesentlichen vollständig sowohl von niedrig viskosen Flüssigkeiten, wie Wasser, als auch von höher viskosen Flüssigkeiten oder flüssigen Suspensionen, wie Pulpe bei der Papierherstellung, entfernen kann und die Flüssigkeit oder Suspension im wesentlichen vollständig von dem entfernten Gas abtrennt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch eine Pumpe, die den Eingangsflüssigkeitsstrom nicht beeinflußt und die entsprechend des Eingangsstroms innerhalb eines Arbeitsbereiches selbstregulierend ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüberhinaus eine selbstregulierende Gasseparationspumpe, deren Arbeitsbereich einfach durch die Regulierung ihrer Rotationsgeschwindigkeit eingestellt werden kann.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Gasseparationspumpe, die an eine Vakuumquelle angeschlossen werden kann, insbesondere derart, daß die Pumpe zwischen der Vakuumquelle und dem abzusaugenden Objekt installiert werden kann.
Ein Gegenstand der Erfindung ist auch eine Möglichkeit zur Schaumunterdrückung und zum Pumpen schäumender Flüssigkeit, während das Gas von dieser Flüssigkeit abgetrennt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung von Gas in Kombination mit Pumpen.
Insbesondere hat die vorliegende Erfindung zum Gegenstand, die Ermöglichung einer schnellen und kontrollierten Abwasserrückführung aus einem Papier- oder Pappenblattbildungsprozesses in den Faserprozeß ohne die Notwendigkeit einer separaten Entlüftung.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Ermöglichung einer Luftabtrennung und kontrollierter Verarbeitung flüssigen Materials von durch Flotation getrennten Materialien.
Die genannten Gegenstände der vorliegenden Erfindung werden in einer hoch energieeffizienten Art und Weise realisiert die es erlaubt, Flüssigkeiten in einem großen Viskositätsbereich zu handhaben.
Ein Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine Luftabtrennung aus der Pulpe eines Papierherstellungsprozesses vor seiner Einführung in den kurzen Umlauf zu ermöglichen und damit separate Entlüftungsvorrichtungen zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Patentansprüche definiert und betrifft im wesentlichen eine Vorrichtung zum Pumpen einer flüssigen Mischung aus einem Gas und einer Flüssigkeit oder einer flüssigen Suspension und zur Trennung des Gases und der Flüssigkeit oder Suspension, umfassend an einem Ende einen stationären Flüssigkeitseinlaß, am entgegengesetzten Ende ein stationäres Pumpengehäuse mit einem Flüssigkeitsauslaß und einen zwischen dem Einlaß und dem Pumpengehäuse angeordneten hohlen, langgestreckten Gas-Separationsteil mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und einem im wesentlichen zentralen Auslaß für das abgetrennte Gas, sowie am Einlaßende angeordnete Mittel zur Rotation der Mischung, wobei sich das entgegengesetzte Ende der Vorrichtung zu einer Pumpzone erweitert, deren Durchmesser größer ist, als der des sich unmittelbar stromauf daran anschließenden Gas-Separationsteiles. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Separationsteil zwischen dem Einlaß und dem Pumpengehäuse als Hohlrotor ausgebildet ist, wobei die Innenwand des Rotors eine große rotierbare Gas-Separationsoberfläche aufweist. Mit der Anwendung dieser Vorrichtung ist es möglich eine im wesentlichen vollständige Abtrennung des Gases von der Mischung zu erreichen.
Der Rotor der Vorrichtung ist erfindungsgemäß vorzugsweise im allgemeinen rohrartig ausgebildet und weist am Auslaßende eine Pumpzone mit deutlich größerem Durchmesser auf, die sich in das Pumpengehäuse erstreckt. Die beste Leistung wird im allgemeinen durch eine Ausführungsform erreicht, in der der Rotor am Einlaß Schaufelblätter zur Rotation der eingeleiteten Mischung aufweist und am Auslaßende mit einem, einen größeren Durchmesser aufweisenden Schaufelrad versehen ist, welches in das Pumpengehäuse reicht.
In einer speziellen Variante der Erfindung sind Mittel zum Sprühen einer Flüssigkeit gegen die Gasseparationsoberfläche vorgesehen, wobei der Gasauslaß an eine Vakuumquelle angeschlossen sein kann, um ein Vakuum im Gasseparationsteil oder stromauf der Gasseparationspumpe zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Pumpen einer flüssigen Mischung aus einem Gas und einer Flüssigkeit oder einer flüssigen Suspension unter dabei erfolgender Trennung von Gas und Flüssigkeit oder Suspension, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
Einleiten der flüssigen Mischung in eine Gas-Separationspumpe, die zwischen einem stationären Flüssigkeitseinlaß und einem stationären Flüssigkeitsauslaß einen hohlen, langgestreckten Gas-Separationsteil mit einer einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Innenwandung besitzt;
Versetzen der Mischung in Rotation am Einlaßende der Gas-Separartionspumpe unter Erzeugung einer Fließbewegung der Mischung in Richtung zu deren Wandung;
Aufrechterhalten der Rotation der Mischung durch Rotation des Gas-Separationsteils;
Erzeugen einer Fließbewegung der Mischung entlang einer rotierenden Gas-Separationsoberfläche, die durch die Wandung des Gas-Separationsteils gebildet wird, zur Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms auf der Gas-Separationsoberfläche;
Aufrechthaltung der Fließbewegung auf der Gas-Separationsoberfläche für eine Zeitspanne, die ausreicht das Gas von der Flüssigkeit oder der flüssigen Suspension abzutrennen und eine Gassäule im Zentrum des Gas-Separationsteils auszubilden;
Leiten der abgetrennten Flüssigkeit oder flüssigen Suspension entlang der Gas-Separationsoberfläche in ein stationäres Pumpengehäuse mit einer Pumpzone, die einen größeren Durchmesser aufweist, als das Gas-Separationsteil, wobei die Flüssigkeit einen rotierenden Flüssigkeitsring in der Pumpzone ausbildet;
Ableiten der Flüssigkeit aus dem Pumpengehäuse sowie des Gases aus der Gassäule.
In einer bevorzugten Variante umfaßt die flüssige Mischung im wesentlichen eine Mischung aus Luft und Wasser, die nahezu vollständig voneinander getrennt sind. Um eine gute Abtrennung des Gases zu erreichen ist es wichtig, daß die Mischung zumindest am Ende des Gasseparationsteils in eine im wesentlichen stabile Fließbewegung entlang der Gasseparationsoberfläche versetzt wird, zur Bildung eines Flüssigkeitsfilms auf dieser Oberfläche. Die Filmdicke des Flüssigkeitsfilms ist vorzugsweise kleiner 1/4, besonders bevorzugt kleiner 1/6 des Durchmessers des Gasseparationsteils. Bei der Trennung von Luft und Wasser ist der Flüssigkeitsfilm im allgemeinen sogar dünner, als 1/6 dieses Durchmessers.
Der Flüssigkeitsfilm hat eine offene Oberfläche und die Fließbewegung entspricht damit mit der Fließbewegung in einem offenen Kanal. Abhängig von jedem konkreten Fall, wird die Filmdicke so gewählt und eingestellt, daß die Fließbewegung im Gasseparationsteil entweder schnell oder ruhig ist. Ein kontrollierter Übergang von schneller zu ruhiger Fließbewegung wird vorzugsweise vor Eintritt der Flüssigkeit in die Pumpzone eingestellt.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gasableitung an eine Vakuum-Quelle angeschlossen, was sowohl dazu benutzt werden kann, den Gasabtrennungseffekt in der Pumpe zu verstärken, als auch zum Absaugen in einem Prozeß stromauf der Pumpe dienen kann. Falls die flüssige Mischung eine Mischung aus einem Gas und einer flüssigen Suspension ist, kann diese durch das durch Absaugen erzeugte Vakuum zum Sieden gebracht werden, wodurch das in der Mischung eingeschlossene Gas im wesentlichen vollständig entfernt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen selbstregulierend. Jedoch wird bei Bedarf die Tiefe des Flüssigkeitsrings über die Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit eingestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Aufschwimmen von Schaum auf der Gasseparationsoberfläche unterdrückt durch das Einsprühen von Flüssigkeit in die zentrale Gassäule.
Die vorliegende Erfindung, zusammen mit weiteren Gegenständen und deren Vorteilen wird am besten aus der folgenden Beschreibung, zusammen mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, dabei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasseparationspumpe in der Seitenansicht;
Fig. 2a eine Schnittdarstellung der Gasseparationspumpe aus Fig. 1 entlang der Linie A-A;
Fig. 2b eine Schnittdarstellung der Gasseparationspumpe aus Fig. 1 entlang der Linie B-B;
Fig. 3 eine ähnliche Schnittdarstellung wie Fig. 1 einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung mit alternativen und optionalen Merkmalen;
Fig. 3a eine Schnittdarstellung der Gasseparationspumpe aus Fig. 3 entlang der Linie C-C;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in der Seitenansicht;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasseparationspumpe mit Düsen zur Schaumunterdrückung in der Seitenansicht;
Fig. 6 die Anwendung von erfindungsgemäßen Gasseparationspumpen in einem bevorzugten Papierherstellungsverfahren;
Fig. 7 die Anwendung einer erfindungsgemäßen Gasseparationspumpe bei einer im wesentlichen vollständigen Abtrennung von Gas beim Pumpen eines viskosen Schlamms.
In der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche oder funktionell ähnliche Teile benutzt werden.
In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entsprechend Fig. 1 umfaßt die erfindungsgemäße Gasseparationspumpe einen im wesentlichen rohrartig ausgebildeten hohlen Rotor 12 mit einer stationären Flüssigkeitseinlaß 14 an einem Ende 18 und ein stationäres Pumpengehäuse 16 am entgegengesetzten Ende 22. An dem Einlaßende 18 des Rotors 12 sind Schaufelblätter 20 angeordnet, die sich von der Wandung des Rotors 12 zu dessen Mitte erstrecken. An dem Auslaßende 22 ist ein Schaufelrad 24 mit Schaufelblättern 42 vorgesehen. Das Pumpengehäuse 16 weist einen Gasauslaß und eine periphere Flüssigkeitsabflußleitung 28 auf.
Der zentrale Teil des Rotors 12 bildet ein rotierbares, langgestrecktes, rohrartiges Gasseparationsteil 30, dessen Innenwand eine große Separationsoberfläche 32 aufweist. Das Gasseparationsteil 30 soll erfindungsgemäß so lang ausgeführt sein, daß eine ausreichende Zeitspanne gewährleistet wird, in der die Flüssigkeit durch den Einlaß 14 eingeleitet werden kann und sich möglicher, durch die Wirkung der am Einlaßende 18 angeordneten Schaufelblätter 20 gebildeter Sprühnebel vollständig auf der Gasseparationsoberfläche 32 niederschlagen sowie sämtliches, in der Flüssigkeit enthaltenes Gas abgetrennt und die Flüssigkeit vom Einlaß zum Auslaß im Rotor fließen kann. Um eine solche Zeitspanne zur Verfügung zu stellen und ein günstiges Verhältnis zwischen achsialer Fließbewegung an der Gasseparationsoberfläche und der Zentrifugalkraft zur Abtrennung zu erreichen, sollte der Durchmesser des Separationsteils 30 im Vergleich zur Länge des Separationsteils 30 relativ klein sein. Somit sollte das Separationsteil 26 einen Durchmesser D aufweisen, der kleiner ist, als die Länge L des Separationsteils. Der Durchmesser D sollte vorzugsweise kleiner, als die Hälfte der Länge L sein. Ein bevorzugtes Verhältnis von D zu L reicht von kleiner 1 : 2 bis 1 : 20 oder größer. Es gibt kein definiertes Limit für die Länge des Separationsteils, mit Ausnahme der möglichen technischen Schwierigkeiten, die sich durch extrem lange rotierende Vorrichtungen ergeben.
Die Größe der Gasseparationsoberfläche sollte erfindungsgemäß ausreichen, daß die Flüssigkeit im Rotor 12 einen Flüssigkeitsfilm 34 auf der Oberfläche 32 des Gasseparationsteils 30 ausbilden kann. Innerhalb dieses dünnen Flüssigkeitsfilms 34 ist die von dem Gas bis zum Erreichen der Flüssigkeitsoberfläche 36 zu überwindende Strecke klein und es wird eine effektive Gasabtrennung erfolgen.
In der Mitte des Rotors 12 bildet das abgetrennte Gas eine Gassäule 38, die von der Flüssigkeitsoberfläche 36 umgeben ist. Der Film 34 gibt nach und nach alles enthaltene Gas frei und wandelt sich in einen gasfreien Film aus Flüssigkeit oder flüssiger Suspension um.
Infolge der Rotation des Rotors 12 rotiert der Flüssigkeitsfilm 34 schnell in dem Separationsteil 30, wobei Zentrifugalkräfte einwirken, die ein schnelles Aufsteigen der in der Flüssigkeits-Gas-Mischung enthaltenen Gasblasen zur Oberfläche 36 der Mischung und von dort aus zum Zentrum der Bildung der Gassäule 38 bewirken.
Um unkontrollierte Turbulenzen und Sprühnebel am Einlaßende 18 des Rotors 12 zu vermeiden, sind die Schaufelblätter 20 an diesem Punkt vorzugsweise spiralförmig geformt, was dem natürlichen Fließkanal der Flüssigkeit beim Beschleunigen entspricht.
Am Auslaßende 22 erfolgt eine gleichförmige Vergrößerung des Rotors 12 in eine Pumpzone 17 mit einem Schaufelrad 24. Während der Anwendung der Vorrichtung bildet die abgetrennte Flüssigkeit oder flüssige Suspension (im weiteren kurz als "Flüssigkeit" bezeichnet) im Schaufelrad 24 einen tieferen Flüssigkeitsring 40, was eine Erhöhung des sich akkumulierenden Drucks an der Peripherie des Pumpengehäuses 16 bewirkt sowie die Ableitung der, nun im wesentlichen gasfreien, Flüssigkeit über die Flüssigkeitsabflußleitung 28.
Um instabile Fließbedingungen zu vermeiden, kann ein kontrollierter Übergang von schneller zu langsamer Fließbewegung erreicht werden durch die Einfügung eines Schwellwertrings (nicht gezeigt) auf der Gasseparationsoberfläche 32 in dem Abschnitt, in dem der Übergang gewünscht wird.
Im Fall, daß der Fluß, der durch die Abflußleitung 28 gepumpt wird, geringer ist als der durch den Einlaß 14 eingeleitete Fluß, vergrößert sich die Tiefe des Flüssigkeitsrings 40. Gleichzeitig erhöht sich der Pumpdruck, was wiederum eine Erhöhung des Auslaßflusses zur Folge hat. Damit ist die erfindungsgemäße Gasseparationspumpe innerhalb bestimmter Grenzen selbstregulierend. Der Druck der gepumpten Flüssigkeit kann auch über die Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 12 geregelt werden. Damit kann der Bereich der Selbstregulierung auf die aktuellen Arbeitsbedingungen eingestellt werden.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform geht das Separationsteil 30 gleichförmig, ohne einen ausgeprägten Übergangspunkt in eine, einen größeren Durchmesser aufweisende Pumpzone 17 über. Der Durchmesser dieser Pumpzone 17 ist vorzugsweise deutlich größer als der Durchmesser des Gasseparationsteils 30, sodaß eine ausgeprägte Verbreiterung der Vorrichtung zur Aufnahme der entgasten Flüssigkeit und Bildung eines ausreichend tiefen Flüssigkeitsrings 40 resultiert, um so ein Pumpen der Flüssigkeit ohne Beeinflussung der Oberfläche des Flüssigkeitsrings zu ermöglichen. Somit ist die am meisten bevorzugte Variante der Erfindung derart gestaltet, daß sich der Rotor 12 gleichförmig wie ein Trichter von einem Separationsteil 30 zu einer Pumpzone mit einem Schaufelrad 24 erweitert. Aufgrund dieser gleichförmigen Konstruktion fließt der Flüssigkeitsfilm 34 ohne Störung vom Separationsteil 30 in die Pumpzone 17. Ein abrupter Übergang könnte eine Störung der laminaren Strömung verursachen und damit einen erneuten Eintrag von Gas in bereits gasfreie Flüssigkeit zur Folge haben.
Zur Vermeidung einer starken Beschleunigung in der Übergangszone zwischen Separationsteil und Pumpzone, wo sich die Gassäule erweitern könnte, ist es vorteilhaft an diesem Punkt die Schaufelblätter 42 des Schaufelrads 24 einer spiralförmigen Bahn folgen zu lassen.
Obwohl die in Fig. 1 dargestellte Trichterform des Rotors 12 als die am meisten bevorzugte Variante der Erfindung betrachtet wird, ist die geometrische Form des Separationsteils 30 nicht auf diese Form beschränkt. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch erfüllt, wenn das Separationsteil konusförmig ausgeführt ist oder eine dazwischenliegende Form aufweist.
In der in Fig. 1 dargestellten Variante weist das Schaufelrad 24 ein Endschild 49 auf, um die Bildung von Turbulenzen im Flüssigkeitsring 40 durch die stationäre Rückwand des Pumpengehäuses 16 zu vermeiden. Das Endschild 49 weist Löcher 47 auf, die eine Ableitung des sich zwischen dem Endschild 49 und der Rückwand 41 aufbauenden Flüssigkeitsdrucks in den Flüssigkeitsring 40 ermöglichen.
Zur Erreichung einer großen und stabilen Gassäule 38 im Gasseparationsteil 30 und auch einer großen Oberfläche 36 des Flüssigkeitsfilms 34 für eine effektive Gasabtrennung, sollte die Gassäule 38 einen bedeutenden Teil, vorzugsweise nicht weniger als die Hälfte des zur Verfügung stehenden Volumens des Gasseparationsteils 30 des Rotors 12 einnehmen. Der Flüssigkeitsfilm 34 sollte relativ dünn sein, vorzugsweise weniger als 1/4 und noch bevorzugter kleiner als 1/6 oder weniger des Durchmessers D des Gasseparationsteils, wodurch die Zentrifugalkräfte nur einen geringen Druckaufbau in dem Flüssigkeitsfilm 34 bewirken und eine starke Kompression der in der Flüssigkeit eingeschlossenen Gasblasen verhindert wird.
Um im Gasseparationsteil 30 einen dünnen Flüssigkeitsfilm zu erreichen und dennoch einen gewünschten Pumpdruck im Pumpengehäuse 16 zu erhalten, sind der Durchmesser der Pumpzone 17 und des Schaufelrads 24 vorzugsweise deutlich größer als der Durchmesser des Gasseparationsteils 30. Auch wenn die am meisten bevorzugte Variante, wie in Fig. 1 dargestellt, jene ist, in der der Flüssigkeitsfilm 34 im Gasseparationsteil 30 im Vergleich zum Flüssigkeitsring 40 in der Pumpzone 17 flach ist, wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch dann gelöst, wenn die Unterschied in den Tiefen zwischen Separationsteil 30 und Pumpzone geringer ist.
Am Pumpengehäuse 16 ist ein zentraler Gasauslaß 26 angeordnet, durch welchen das sich in der Gassäule 38 sammelnde Gas entfernt wird. Das Gas wird ständig aus der Gassäule 38 abgeführt, vorzugsweise am Pumpengehäuse 16, wo die Flüssigkeit im wesentlichen vollständig vom Gas abgetrennt ist. Der Gasauslaß kann wahlweise mittig oder außermittig durch das Pumpengehäuse gestaltet oder als rohrartiger Ansatz an einem beliebigen der Enden des Rotors 12 ausgeführt sein. Erfindungsgemäß ist sogar eine Gegenstrom- Gasableitung durch den Einlaß 14 möglich.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird der Rotor 12 über eine Welle 44 am Einlaßende 18 (durch nicht gezeigte Antriebsmittel) angetrieben. Die Welle 44 erstreckt sich durch den Einlaß 14 in ein Lager 46. Am entgegengestzten Ende erstreckt sich das Schaufelrad 24 in ein Lager 48, das in das Pumpengehäuse 16 eingefügt ist. In anderen Varianten der Erfindung kann die Welle 44 durchgehend gestaltet sein, sodaß sich diese durch den Rotor 12, den Einlaß 14 und das Pumpengehäuse 16 erstreckt. Die Welle kann auch mit dem Schaufelrad 24 verbunden sein oder anderenfalls nur mit dem Auslaßende des Rotors 12. Die Ab-/Unterstützung des Rotors 12 kann auch nur einseitig erfolgen oder sogar mit Hilfe von Lagern, die an seinem Mittelteil angeordnet sind. Dem Fachmann stehen viele technische Lösungen zur Verfügung.
In Fig. 2a ist ein Schnitt A-A der Pumpe aus Fig. 1 dargestellt, der die bevorzugte Spiralform der Schaufelblätter 20 am Einlaßende 18 des Rotors 12 zeigt. Die Spiralform der Schaufelblätter 20 und eine tangentiale Zuführung der Mischung aus Gas und Flüssigkeit gestattet eine gleichförmige Beschleunigung der Flüssigkeit unter Vermeidung starker Turbulenzen.
Die spiralförmigen Schaufelblätter 20 versetzen die Flüssigkeit in eine Fließbewegung gegen den Rand des Einlaßendes 18 und stellen damit in der Mitte des Einlaßendes Raum für Gas bereit, sodaß sich die Gassäule 38, wie aus Fig. 1 ersichtlich, durch die Schaufelblätter in den Einlaß 14 erstreckt.
In Fig. 2b wird einen Schnitt B-B am Auslaßende der Pumpe aus Fig. 1 dargestellt. Fig. 2b zeigt das Pumpengehäuse 16 mit dem größeren Durchmesser, den sich in einer Spiralform um das Pumpengehäuse 16 erstreckenden Auslaß 28, und den Flüssigkeitsring 40, der bei der Anwendung in dem Pumpengehäuse gebildet wird. Im Zentrum des Pumpengehäuses 16 variiert der innere Durchmesser des Flüssigkeitsrings 40 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen mit der Rotationsgeschwindigkeit des Schaufelrades 24, dem Druck am Auslaß 28 und dem Fluß der Flüssigkeit durch die Pumpe, wobei er innerhalb bestimmter Grenzen im Gleichgewicht bleibt.
Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, die weitgehend mit der aus Fig. 1 übereinstimmt, aber verschiedene optionale Elemente zeigt, die bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden können. So erstreckt sich in der gezeigten Variante die Welle 44 über die gesamte Länge des Rotors 12. Das Lager 46' am Einlaßende 18 ist in dem Fachmann bekannter Weise so ausgeführt, daß es von der einströmenden Flüssigkeit geschmiert wird. Das Auslaßende 22 des Rotors 12 wird durch Schaufelblätter 13 gestützt, die Kanäle am stromabseitigen Ende des Separationsteils 30 bilden. Der Rotor 12 endet in einer kanalartigen Pumpzone 17, die durch eine Ringplatte 11 begrenzt wird, die an den Schaufelblättern 42 des Schaufelrades 24 befestigt ist.
In der Übergangszone zwischen Gasseparationsteil 30 und der Pumpzone 17 weist die Wandung des Rotors 12 eine ringförmige Schulter 29 auf, die den inneren Durchmesser des Rotors 12 verkleinert. Die Schulter 29 ermöglicht eine Steuerung der Tiefe des entlang der Gasseparationsoberfläche 32 fließenden Flüssigkeitsfilms 34 und somit der Verweilzeit in der Vorrichtung. Die Blasen können eine minimale Verweilzeit benötigen, in der sie sie sich zu ausreichend größeren Blasen vereinigen, um die ganze Strecke bis zur Oberfläche 36 zu überwinden.
Zwischen dem rotierenden Schaufelrad 24 und dem stationären Pumpengehäuse 16 befindet sich eine Labyrinthdichtung 23 bekannter Art. Diese Dichtung 23 minimiert die Undichtigkeit vom Flüssigkeitsring 40 nach außen. Am Ende der Dichtung 23 ist ein größerer Ring 25 angeordnet, der aus der Labyrinthdichtung 23 ausgetretene Leckflüssigkeit in einer Austrittskammer 21 rotieren läßt. Eine Leitung 19 dient dazu, die Leckflüssigkeit von der Austrittskammer 21 zurück zum Einlaß 14 zu leiten. Es können zahlreiche weitere, dem Fachmann bekannte Varianten zur Abdichtung des Pumpengehäuses 16 eingesetzt werden.
Fig. 3 zeigt weiter einen Drucksensor 74, der an der Rückwand 41 des Pumpengehäuses 16 befestigt ist, zur Messung des Drucks des Flüssigkeitsrings 40 in der Pumpe. Ein Prozeß- Steuerungssystem ist durch den Kasten 76 und ein regelbarer Antrieb durch den Kasten 78 angedeutet. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 12 kann so gesteuert werden, daß die Tiefe des Flüssigkeitsrings 40 im Pumpengehäuse 16 innerhalb der Grenzen der Selbstregulierung gehalten wird.
In Fig. 3a ist ein Schnitt entlang der Linie C-C aus Fig. 3 gezeigt. Der schraffierte Ring 43 deutet den Bereich der Selbstregulierung der inneren Oberflächen des Flüssigkeitsrings 40 an. Die Oberfläche 43' stellt die größte Tiefe und die Oberfläche 43" die kleinste Tiefe des Flüssigkeitsrings dar. In dieser Variante der Erfindung sind die Schaufelblätter 42 des Schaufelrades 24 so kurz ausgeführt, daß sie vollständig von dem Flüssigkeitsring 40 bedeckt bleiben. Es muß angemerkt werden, daß das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Schaufelrad in verschiedenen, dem Fachmann bekannten Art und Weisen ausgeführt sein kann. So kann das Schaufelrad geschlossene Kanäle oder in beiden Richtungen offene Schaufelblätter oder aber überhaupt keine Kanäle oder Schaufelblätter aufweisen.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform sind das Äußere des Einlasses 14 und das Pumpengehäuse 16 miteinander über einen Mantel 15 verbunden, der den Rotor 12 in ein Gehäuse einfaßt. Der Rotor 12 weist einen offenes Einlaßende 18 auf, das sich in ein, in den Einlaß 14 eingefügtes Lager erstreckt. Das Auslaßende umfaßt eine Antriebswelle 45 für den Rotor, wobei sich die Schaufelblätter 42' des Schaufelrades 24 zum Zentrum des Schaufelrades 24 erstrecken. Ein Gasauslaß 27 ist außermittig von der Wandung des Pumpengehäuses 16 abgeführt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Gasauslaß 26 oder 27 an eine Vakuumquelle (nicht gezeigt) angeschlossen, sodaß das sich in der Gassäule 38 sammelndes Gas mittels Absaugen entfernt werden kann. Durch das Vakuum expandieren die in im Flüssigkeitsfilm 34 eingeschlossenen Gasblasen, wodurch sich ihre Fließgeschwindigkeit in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche 36 und in die Gassäule 38 erhöht. Wenn das angelegte Vakuum hoch genug ist, wird die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsfilm 34 zum Sieden gebracht, wodurch auch in der Flüssigkeit gelöstes Gas freigesetzt und entfernt wird.
In der in Fig. 4 gezeigten Variante bildet der Mantel 15 zusammen mit dem Einlaß 14 und dem Pumpengehäuse 16 eine geschlossene Kammer, an die über den Gasauslaß 27 ein Vakuum angelegt werden kann, wodurch das Vakuum durch den Auslaß 27, den Rotor 12 und den Einlaß 14 stromauf wirkt. Durch diese Ausgestaltung können Undichtigkeiten, durch die Luft aus der Umgebung in das Vakuum eindringen würde minimiert werden.
Die Vorteile der Gasseparationspumpe entsprechend Fig. 4 werden besonders deutlich, wenn die Pumpe in einem Papierherstellungsprozeß eingesetzt wird und das für die Drainage an dem Siebgewebe einer Papierherstellungsmaschine benötigte Vakuum durch Absaugen an dem Gasauslaß 27 der Pumpe erzeugt wird. Das Vakuum an dem Siebgewebe kann entweder durch die Einlaßleitung 14 oder durch eine an die Gasseparationspumpe angeschlossene separate Absaugleitung (nicht gezeigt) angelegt werden.
Ein konstanter Abwasserzufluß zur Pumpe kann erreicht werden, entweder durch die Zuführung des abgeleiteten Abwassers zur Pumpe durch eine räumlich so ausgelegte Einlaßleitung, daß die Abwasseroberfläche immer offen bleibt oder dadurch, daß die Einlaßleitung ständig mit Wasser gefüllt gehalten wird, wenn das Vakuum an dem Siebgewebe durch die separate Absaugleitung angelegt wird.
Fig. 5 stellt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gasabtrennung und zum Pumpen der im wesentlichen gasfreien Flüssigkeit für den Fall dar, daß die flüssige Mischung ein Schaum ist oder stark zur Schaumbildung neigt. Die Vorrichtung ist in gewisser Hinsicht im wesentlichen ähnlich der Variante in Fig. 4, jedoch ist die Welle 45' hohl ausgeführt und bildet eine Zuführungsleitung zum Sprühen von Flüssigkeit in die Gassäule 38 durch Düsen 70, die am Auslaßende des Rotors 12 angeordnet sind. Alternativ können Sprühdüsen (nicht gezeigt) auch in eine durch den gesamten Rotor oder in das Pumpengehäuse 16 reichende Welle eingefügt sein, wie in der parallelen Patentanmeldung WO 93/23135 erläutert. Eine Kombination von verschiedenen Sprühdüsen-Arten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Aus den Düsen gesprühte Tropfen 72 treffen auf die Oberfläche 34 auf und bewirken ein Zusammenfallen des Schaums auf dieser Oberfläche.
Für den Vorrichtungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist vor allem eine große rotierende Gasseparationsoberfläche im Separationsteil 30 wesentlich, sodaß ein dünner rotierender Flüssigkeitsfilm auf der rotierenden Oberfläche gebildet werden kann. Durch Zentrifugalkräfte abgetrenntes Gas wird in einer getrennten zentralen Gassäule 38 gesammelt, von wo aus das Gas entfernt wird. Die große rotierende Gasseparationsoberfläche wird durch den langgestreckten Separationsteil 30 des Rotors 12 gebildet, dessen Länge deutlich seinen Durchmesser übersteigt.
In einer bevorzugten Verwendung der Erfindung in einem Papierherstellungsprozeß ist es weiter wesentlich, daß das für andere Zwecke notwendige Absaugen, durch die vorliegende Vorrichtung angelegt werden kann.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Mischung aus Gas und Flüssigkeit oder einer flüssigen Suspension in eine im wesentlichen gasfreie Flüssigkeit und ein im wesentlichen von Flüssigkeit freies Gas getrennt. Die Flüssigkeit kann eine niedrig viskose Flüssigkeit, wie Wasser oder eine höher viskose Flüssigkeit oder Suspension, wie Faserpulpe sein. Das Gas kann Luft oder ein anderes Gas sein, das deutlich leichter als die flüssige Komponente der Mischung ist. Somit kann die Flüssigkeit Fasern oder Verunreinigungen, wie Farbpartikel bis zu einem Gehalt aufweisen, der die Mischung jedoch nicht extrem viskos werden läßt.
Im Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Gas-Flüssigkeits-Mischung beispielsweise einer Gasseparationspumpe aus Fig. 1 durch den Einlaß 14 zugeführt. Die Mischung wird durch die Schaufelblätter 20 des Rotors 12 in Rotation versetzt, sodaß sie gegen die auf der Innenwand des Rotors 12 im Gasseparationsteil 30 gebildete Gasseparationsoberfläche 32 geschleudert wird. Auf diese Weise wird ein rotierender Flüssigkeitsfilm 34 auf der rotierenden Oberfläche gebildet.
Die durch die Rotation erzeugten Zentrifugalkräfte bewirken ein Aufstreben des in der schwereren Flüssigkeit eingeschlossenen leichteren Gases aus der Flüssigkeit heraus zur Mitte der Vorrichtung unter Bildung einer Gassäule 38. Dementsprechend sammeln sich die schwereren Flüssigkeitstropfen auf der Gasseparationsoberfläche 32 des Rotors 12 und bilden einen Flüssigkeitsfilm 34 auf dieser Gasseparationsoberfläche. Das eingeschlossene Gas wird sich leicht durch den relativ dünnen Flüssigkeitsfilm 34 bewegen, sich von der Flüssigkeit trennen und in die Gassäule 38 im Zentrum der Vorrichtung übergehen.
Die Filmdicke und Fließgeschwindigkeit in dem Separationsteil sind umgekehrt proportional, woraus sich ergibt, daß solange der Film dünn gehalten wird Änderungen in der Filmdicke die Gasseparations-Effektivität nicht grundlegend beeinflussen. Die Fließgeschwindigkeit in dem Gasseparationsteil kann daher in Abhängigkeit von jedem speziellen Fall so gewählt werden, daß jedes schwere Material, das sich an der Gassepartionsoberfläche 32 absetzen könnte durch den Flüssigsstrom weggespült wird.
Die Flüssigkeit fließt konstant entlang der Separationsoberfläche des rotierenden Separationsteils 30 vom Einlaßende 18 zum Auslaßende 22 und erreicht das Schaufelrad 24, das gleichförmig mit dem Separationsteil 30 verbunden ist. Der Durchmesser des Rotors 12 vergrößert sich am Übergang zwischen dem Separationsteil 30 und dem Schaufelrad 24, wobei durch die Rotation, nunmehr bereits im wesentlichen gasfreie Flüssigkeit, gegen die Peripherie des Pumpengehäuses 16 gepreßt wird, unter Ausbildung eines Flüssigkeitsrings 40 im Pumpengehäuse 16. Durch die Zentrifugalkräfte wird der Flüssigkeitsring 40 in den sich spiralförmig um die Peripherie des Pumpengehäuses 16 erstreckenden Flüssigkeitsauslaß 28 gepreßt und von dort abgeleitet.
Das leichtere Gas sammelt sich entsprechend im Zentrum der rotierenden Vorrichtung und bildet eine Gassäule 38, die gegenüber der rotierenden Flüssigkeit 34 durch eine flüssige Oberfläche 36 begrenzt ist. Aus dieser Gassäule 38 kann das Gas entfernt und somit von der Flüssigkeit abgetrennt werden. Das Gas kann dabei entweder durch einen Gasauslaß 26 im Pumpengehäuse 16 oder durch die Rotorwelle in Einlaß- oder Auslaßrichtung abgeleitet werden.
Die Tiefe des Flüssigkeitsrings 40 im Pumpengehäuse 16 reguliert sich in bestimmten Grenzen automatisch, entsprechend des Flusses von eintretender Flüssigkeit, sodaß ein ausreichender Pumpdruck zum Vorwärtspumpen der Flüssigkeit erhalten wird. Je mehr Flüssigkeit in die Pumpe eintritt, desto tiefer wird der Flüssigkeitsring und desto höher der Pumpdruck. Die Tiefe des Flüssigkeitsrings als eine Funktion der Druckdifferenz kann über die Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors eingestellt werden. Durch die Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit kann die Tiefe des Flüssigkeitsrings entsprechend des Flusses einströmender Gas-Flüssigkeits-Mischung und des benötigten Pumpdrucks eingestellt werden. Innerhalb bestimmter Grenzen ist die Pumpe selbstregulierend. Die Tiefe des Flüssigkeitsrings 40 in dem Pumpengehäuse 16 kann ohne Störung des Verfahrens innerhalb relativ weiter Grenzen variieren. Solange der Flüssigkeitsfilm 34 nicht unterbrochen wird, gelangt kein Gas in den Flüssigkeitsauslaß 28 und keine signifikante Flüssigkeitsmenge in den Gasauslaß 26.
Zur Verbesserung der Gasabtrennung kann eine Vakuumquelle an den Gasauslaß 26 angeschlossen werden. Die Anwendung von Unterdruck ist besonders bevorzugt, wenn das Absaugen an dem Ursprung der Mischung aus Gas und Flüssigkeit benötigt wird. Dadurch, daß die im Zentrum der Pumpe ausgebildete offene Gassäule 38 in direktem Kontakt zu einem leeren Raum 54 im Einlaß 14 ist, wird der am Gasauslaß 27 angelegte Unterdruck auch auf Vorrichtungen stromauf der Pumpe wirken. Insbesondere in dem Fall, daß die Mischung einen bedeutenden Anteil Gas enthält, sodaß eher Flüssigkeitstropfen in einem Aerosol vorliegen, kann die Fließgeschwindigkeit der Mischung durch das Anlegen von Unterdruck an eine erfindungsgemäße Pumpe erhöht werden.
In die Pumpe fließender oder darin gebildeter Schaum konzentriert sich an der Oberfläche 36 des Flüssigkeitsfilms 34 und fällt durch die wirkenden Zentrifugalkräfte schnell zusammen, wodurch das Gas freigesetzt wird und zum Zentrum der Vorrichtung gelangt. Besonders stabile Schäume können durch das gerichtete Aufsprühen 52 von Flüssigkeit auf die Oberfläche 36 des Flüssigkeitsfilms 34 zerstört werden. Die Sprühdüsen sind so gestaltet, daß eine Flüssigkeit in den leeren Raum der Gassäule 38 gesprüht wird.
Die erfindungsgemäße Gasseparationspumpe ist besonders geeignet zur Rückführung von Abwasser aus Papiermaschinen in den Faserprozeß des kurzen Umlaufs. Fig. 6 gibt eine besonders vorteilhafte Anwendung von Gasseparationspumpen in einem Verfahren gemäß der parallelen Patentanmeldung WO 93/23612 entsprechend des erteilten FI-Patents 89728 desselben Erfinders wieder. Dem Fachmann ist klar, daß die vorliegende Erfindung bedeutende Verbesserungen auch für herkömmliche Papierherstellungsverfahren bietet, durch die Erhöhung der Rückführungsgeschwindigkeit von Abwasser und dem Wegfall der Notwendigkeit von großen Abwassertanks.
Die Lehre aus Fig. 6 stellt ein Papierherstellungsverfahren dar, bei dem die Zuführung des dünnen Ganzstoffs durch einen Kopfbehälter 100 auf ein Sieb zur Bildung einer Bahn erfolgt. Durch das Sieb ablaufendes Abwasser wird in Ablaufbehältern 101, Saugkästen 102 und der Saugrolle 103 gesammelt und fließt direkt in die erfindungsgemäßen Gasseparationspumpen 10, 10', 10". Die Gasseparationspumpen 10' und 10" können in Verbindung mit Saugkästen und Saugrollen an eine Vakuumquelle (nicht gezeigt) angeschlossen sein, um den für die Saugkästen und Saugrollen benötigten Unterdruck bereitzustellen.
Die Gasseparationspumpen 10, 10' und 10" trennen die im Abwasser enthaltene Luft und führen das Abwasser als separate luft-freie Zuflüsse zu verschiedenen Verdünnungspunkten dem primären Faser-Prozeß zu. Dieser Faser-Prozeß verläuft von der Pulpe-Zubereitung 124 über einen Mixer 123, Zentrifugalreiniger 122, Filter 121 und Pulpe-Verteiler 125 zum Kopfbehälter 100 und weiter zur Papierblattbildung.
Die erfindungsgemäßen Gasseparationspumpen stellen somit Mittel für eine schnelle und direkte Rückführung von im wesentlichen luft-freiem Abwasser in den Faser-Prozeß am Naßende einer Papierherstellungsmaschine dar.
In dem Verfahren entsprechend Fig. 6 wird ein Teil des gesammelten Abwassers einer Faser-Rückgewinnungs-Einheit 50 zugeführt, die entsprechend der parallelen Patentanmeldung FI 930247 desselben Erfinders gestaltet sein kann, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird. In der Faser-Rückgewinnungs-Einheit werden die Fasern von dem Abwasserstrom 61 durch Schäumen abgetrennt. Klares Wasser, im wesentlichen frei von Feststoff, wird durch eine Reinwasser-Ableitung 63 entfernt und aus dem kurzen Umlauf abgeführt. Der Schaum aus der Rückgewinnungs-Einheit wird in einem Schaumvernichter behandelt und fließt weiter in eine Gasseparationspumpe 10''', die den rückgewonnenen, im wesentlichen luft-freien Ganzstoff 64 direkt dem Faser-Prozeß zuführt.
Die vorliegende Erfindung bietet somit eine Möglichkeit zur Luft-Abtrennung von einem Produkt eines derartigen kompakten Flotationsprozesses, der eine schnelle Rückführung von zurückgewonnenen Fasern in den Arbeitsprozeß der Papiermaschine ermöglicht. Ebenso bietet die erfindungsgemäße Gasseparationspumpe die Möglichkeit zur Behandlung von Schaum aus anderen Flotationsprozessen, wie dem Entfärben von Altpapier. Gasseparationspumpen zur Bearbeitung von Schaum aus Flotationsprozessen weisen vorteilhaft eine integrierte Schaumniederschlagung auf, wie in Fig. 5 dargestellt.
Für ein Verfahren entsprechend Fig. 6 ist es wesentlich, daß die Pulpezuführung in den kurzen Umlauf der Pulpe-Zubereitung 124 frei von Luft ist. Fig. 7 zeigt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Entfernung von Luft aus einer viskosen Flüssigkeit, wie Papierherstellungspulpe, bei der die Luft stärker im Fasernetzwerk verhaftet ist.
In Fig. 7 wird die Pulpe über ein automatisches Steuerventil 80 in die Gasseparationspumpe geführt, welches zusammen mit einem Durchflußmesser 82 und einem Prozeß- Steuersystem 84 einen gesteuerten, konstanten Pulpe-Fluß ermöglicht. Die Gasseparationspumpe wird mit Hilfe eines Vakuumsystems 86 unter Vakuum gesetzt, wobei das Vakuum so eingestellt ist, daß die Temperatur der Pulpe genügt, die Pulpe in dem Flüssigkeitsfilm 34 im rotierenden Gasseparationsteil 30 Sieden zu lassen. Durch den Siedevorgang expandieren die in dem Flüssigkeitsfilm 34 eingeschlossenen Luftblasen, sodaß sie effizient und im wesentlichen vollständig in die Gassäule 38 entfernt und weiter in eine Kondensationsvorrichtung 88 des Vakuumsystems 86 abgeführt werden, die den durch das Sieden der Pulpe in der Pumpe freigesetzten Dampf kondensieren läßt. Die aus der Pulpe entfernte Luft wird aus der Kondensationsvorrichtung 88 mittels der Vakuumpumpe 86 abgezogen. Die entlüftete Pulpe wird aus der Pumpe durch den Pulpenauslaß 28 abgeführt.
Für die gleichförmige und konstante Zuführung von Pulpe ist es wesentlich, daß die Druckdifferenz am Steuerventil 80 konstant gehalten wird. Auf der Druckseite des Ventils 80 wird dies durch dem Fachmann bekannte Mittel erreicht, auf der Unterdruckseite durch die entsprechend ausreichende Dimensionierung der Pumpe 86 und der Kondensationsvorrichtung 88 um einen ausreichenden Strom von Dampf und Luft von der Pumpe zu gewährleisten.
Ebenso wie im Faserprozeß wird Flotation in anderen Trennprozessen eingesetzt, wie beispielsweise zur Entfernung von Farbpartikeln aus einer Fasersuspension, die aus der Aufbereitung von bedrucktem Altpapier resultiert. Die Fasersuspension in einem Entfärbeprozeß ist typischerweise 1 bis 3%ig, sodaß ein relativ stabiles Fasernetzwerk resultiert, wogegen die von den Fasern durch mechanische oder chemische Mittel freigesetzten Farbpartikel innerhalb des Fasernetzwerks beweglich sind und aus der Suspension durch Gasblasen herausgetragen werden. Die Produkte des Entfärbeprozesses sind ein Schaum, der Farbpartikel enthält und eine Suspension aus entfärbten Fasern. Beide Produkte enthalten eine große Menge an Luft und sind mit aus dem Stand der Technik bekannten Pumpen schwer zu handhaben.
Der Farbe enthaltende Schaum kann vorzugsweise mit einer erfindungsgemäßen Gasseparationspumpe auf die gleiche Art und Weise gehandhabt werden, wie das rückgewonnene Fasermaterial aus dem oben beschriebenen Verfahren.
Die Suspension der entfärbten Fasern aus einem Entfärbe-Flotationsprozeß ist typischerweise mit Luft gesättigt und das relativ stabile Fasernetzwerk schließt die enthaltenen Luftblasen ein und kompliziert damit besonders die Behandlung dieser Suspension in Gasseparationspumpen. Bei der Behandlung einer solchen mit Luft gesättigten Pulpensuspension, bei der die Luft in einem Fasernetzwerk eingeschlossen ist, in einer erfindungsgemäßen Pumpe, wird die Abtrennung des Gases nur teilweise erfolgen, aber aufgrund des ernormen Gasabtrennungspotentials und der gleichförmigen Fließbewegung in der Pumpe, wird das Pumpen sehr stabil sein und die Pumpe in einer selbstregulierenden Weise, wie oben beschrieben arbeiten. Durch das Anlegen von Vakuum an die Pumpe kann die Fasersuspension auch zum Sieden gebracht werden, wodurch die enthaltenen Gasblasen expandieren und eine vollständige Abtrennung des Gases entsprechend des oben beschriebenen Verfahrens erreicht wird.
Das obige Beispiel zeigt, daß auch wenn die erfindungsgemäße Gasseparationspumpe in erster Linie dazu dienen soll eine im wesentlichen vollständige Trennung von Gas und Flüssigkeit beim Pumpen einer Flüssigkeit zu erzielen, die Pumpe ebenso große Vorteile für Verfahren bietet, in denen bekannte Gasseparationspumpen unzureichend zum Pumpen von Flüssigkeiten sind, in denen das Gas schwer abzutrennen ist.
Die vorliegende Erfindung wurde vornehmlich als eine Lösung für Pumpen auf dem Gebiet der Papierindustrie beschrieben. Es ist jedoch für den Fachmann offensichtlich, daß die Pumpe geeignet ist für viele andere Anwendungen, in denen Gas von einer Flüssigkeit oder flüssigen Suspension abgetrennt werden und eine gasenthaltende Flüssigkeit oder Suspension im wesentlichen gasfrei gepumpt werden muß.

Claims

1. Vorrichtung zum Pumpen einer flüssigen Mischung aus Gas und Flüssigkeit oder einer flüssigen Suspension und zur Trennung von Gas und Flüssigkeit oder Suspension, umfassend an einem Ende (18) einen stationären Flüssigkeitseinlaß (14), am entgegengesetzten Ende (22) ein stationäres Pumpengehäuse (16) mit einem Flüssigkeitsauslaß (28) und einen zwischen dem Einlaß (14) und dem Pumpengehäuse (16) angeordneten hohlen, langgestreckten Gas-Separationsteil (30) mit im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und einem im wesentlichen zentralen Auslaß (26, 27) für das abgetrennte Gas sowie am Einlaßende (18) angeordnete Mittel zur Rotation der Mischung, wobei sich das entgegengesetzte Ende (22) der Vorrichtung zu einer Pumpzone (17) erweitert, deren Durchmesser größer ist, als der des sich unmittelbar stromauf daran anschließenden Gas-Separationsteiles (30), dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Separationsteil (30) zwischen dem Einlaß (14) und dem Pumpgehäuse (16) als Hohlrotor (12) ausgebildet ist, wobei die Innenwand des Rotors (12) eine große rotierbare Gas-Separationsoberfläche (32) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) im allgemeinen rohrartig ausgebildet ist und am Auslaßende (22) die Pumpzone (17) mit deutlich größerem Durchmesser aufweist und die sich in das Pumpengehäuse (16) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Durchmesser des Rotors (12) leicht erweitert und derart die einen größeren Durchmesser aufweisende Pumpzone (17) ausgebildet wird, wobei der Rotor (12) mit einem in das Pumpengehäuse (16) reichenden Schaufelrad (24) versehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Rotation der Mischung Schaufelblätter (20) umfassen, die sich von der Wandung des Rotors (12) zu dessen Mitte am Einlaßende (18) erstrecken.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Separationsteil (30) eine im allgemeinen rohrartige Form mit einem Durchmesser D aufweist, der kleiner ist als seine Länge L und das Verhältnis D/L vorzugsweise im Intervall von kleiner etwa 1 : 2 bis etwa 1 : 20 liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (14) und das Pumpengehäuse (16) über eine Hülse (15) miteinander verbunden sind und einen abgeschlossenen Raum bilden, der den Rotor (12) einschließt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Rotors (12) eine ringförmige Schulter aufweist, die den inneren Durchmesser des Rotors verkleinert.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (70) zum Sprühen einer Flüssigkeit gegen die Gas-Separationsoberfläche (32) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumquelle an den Gasauslaß (26, 27) angeschlossen ist.

10. Verfahren zum Pumpen einer flüssigen Mischung aus Gas und Flüssigkeit oder einer flüssigen Suspension unter dabei erfolgender Trennung von Gas und Flüssigkeit oder Suspension, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Einleiten der flüssigen Mischung in eine Gas-Separationspumpe, die zwischen einem stationären Flüssigkeitseinlaß und einem stationären Flüssigkeitsauslaß einen hohlen, langgestreckten Gas-Separationsteil mit einer einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Innenwandung besitzt;

Versetzen der Mischung in Rotation am Einlaßende der Gas-Separartionspumpe unter Erzeugung einer Fließbewegung der Mischung in Richtung zu deren Wandung;

Aufrechterhalten der Rotation der Mischung durch Rotation des Gas-Separationsteils;

Erzeugen einer Fließbewegung der Mischung entlang einer rotierenden Gas- Separationsoberfläche, die durch die Wandung des Gas-Separationsteils gebildet wird, zur Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms auf der Gas-Separationsoberfläche;

Beibehaltung der Fließbewegung auf der Gas-Separationsoberfläche für eine Zeitspanne, die ausreicht das Gas von der Flüssigkeit oder der flüssigen Suspension abzutrennen und eine Gassäule im Zentrum des Gas-Separationsteils auszubilden;

Leiten der abgetrennten Flüssigkeit oder flüssigen Suspension entlang der Gas- Separationsoberfläche in ein stationäres Pumpengehäuse mit einer Pumpzone, die einen größeren Durchmesser aufweist, als das Gas-Separationsteil, wobei die Flüssigkeit einen rotierenden Flüssigkeitsring in der Pumpzone ausbildet;

Ableiten der Flüssigkeit aus dem Pumpengehäuse sowie des Gases aus der Gassäule.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung im wesentlichen eine Mischung aus Luft und Wasser umfaßt, die im wesentlichen vollständig voneinander abgetrennt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung in einer im wesentlichen ruhigen Fließbewegung auf der Gas-Separationsoberfläche gehalten wird, unter Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms mit einer Filmdicke kleiner 1/4, vorzugsweise jedoch kleiner 1/6 des Durchmessers des Gas-Separationsteils.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mittels Absaugen aus der Gassäule entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Mischung eine Mischung aus einem Gas und einer flüssigen Suspension ist, die durch ein durch Absaugen erzeugtes Vakuum zum Sieden gebracht wird, wobei das in der Mischung eingeschlossene Gas im wesentlichen vollständig entfernt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugen an einem Gasauslaß der Gas-Separationspumpe vorgenommen und der Fluß der Flüssigkeit, die in den Einlaß der Gas-Separationspumpe gelangt, geregelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Flüssigkeitsrings über die Rotationsgeschwindigkeit eingestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sprühnebel auf die Schicht der Gas-Separationsoberfläche aufgebracht wird.

18. Verfahren zur Herstellung von Papier oder Pappe, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser aus einem Blattbildner in einer Papierherstellungsmaschine mit Hilfe einer Gas- Separationspumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in den Faserprozeß zurückgeführt wird.

19. Flotationsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das ein fließfähiges Flotationsprodukt mit einer Gas-Separationspumpe (gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9) behandelt wird.