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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Fraktioniervorrichtung zum Fraktionieren einer
Suspension in mindestens zwei Fraktionen, mit einer
Trommel, die um eine im wesentlichen horizontale Welle
drehbar ist und Einlaßmittel für Suspension und
mindestens ein Auslaßmittel für Fraktionen aufweist,
wobei die Trommel mindestens zwei Wände aufweist, die
um die Welle gekrümmt sind und die sich im wesentlichen
parallel dazu in deren Längsrichtung erstrecken, wobei
die Wände zwischen sich einen Fluidkanal bilden, der im
wesentlichen parallel zur Welle ist.
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In der Zellstoffindustrie besteht Bedarf, aus
bestimmten Filtraten das Filtrat begleitende Partikel
abzutrennen, zum Beispiel bei der Herstellung von Pulpe
aus Recyclingpapier. In einer Phase dieses Verfahrens
wird die Recyclingpulpe gewaschen, was zur Folge hat,
daß insbesondere Füllstoffe, wie beispielsweise Ton und
Asche, Druckfarbe und sogenannter Grus aus der Pulpe in
einem Filterverfahren ausgewaschen werden, was darauf
hinzielt, vor allem lange Fasern zurückzubehalten. Es
ist jedoch unvermeidbar, daß auch lange Fasern das
Filtrat begleiten, das somit lange Fasern, Grus,
Füllstoffe und Druckfarbe enthalten wird. Es ist
natürlich wünschenswert, nicht nur die wertvollen
langen Fasern zurückzugewinnen, sondern auch den Grus
und die Füllstoffe, von denen gerade die letzteren
wertvoll sind und zur Papierherstellung benötigt
werden. Außerdem ist es aus Umweltschutzgründen
vorteilhaft, wenn auch die feinsten Partikel
wiedergewonnen und wiederverwendet werden können.
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Um Partikel unterschiedlicher Größe in einer
Flüssigkeit zu trennen, ist es bekannt, eine sogenannte
Fraktioniervorrichtung zu verwenden. Eine derartige
bekannte Fraktioniervorrichtung verwendet eine drehbare
zylindrische Trommel, die im Innern mit einem
helixförmigen oder spiralförmigen Kanal versehen ist.
Dieser Kanal besitzt einen zentral angeordneten Eingang
und einen auf dem Umfang der Trommel angeordneten
Ausgang. Die zu fraktionierende Suspension wird in der
Mitte der Trommel eingeführt und die Trommel gedreht,
so daß das Eingangsende des Kanals bei jeder Umdrehung
wie eine Schöpfkelle mit Suspension gefüllt wird.
Zwischen zwei benachbarten Kanalwänden wird sich somit
ein Suspensionspfropf nach außen zu der äußeren
Schleife der Helix und dem Ausgang des Kanals hin
bewegen. Zwischen den Kanalwänden und dem
Suspensionspfropf wird somit eine Relativbewegung
stattfinden. Wie aus der Strömungswissenschaft bekannt
ist, hat dies zur Folge, daß sich größere Partikel an
dem Vorderende des Pfropfens sammeln, während sich nach
und nach kleinere Partikel nach und nach weiter hinten
in dem Pfropf ansammeln, alles in seiner relativen
Bewegungsrichtung betrachtet. In der Drehrichtung der
Trommel gesehen sind somit die kleinsten Partikel am
weitesten vorne und die größten als letzte in dem
Pfropf angeordnet. Unter der Trommel befinden sich zwei
oder mehr Sammelmittel, die in der Drehrichtung der
Trommel in einer Reihe nacheinander und direkt
nebeneinander angeordnet sind. Wenn sich ein
Suspensionspfropf in der letzten Windung des
helixförmigen Kanals befindet, tritt der gesamte Pfropf
in einem im wesentlichen zusammenhängenden Zustand aus
dem Auslaß des Kanals aus, wenn der Auslaß sich über
die Sammelmittel hinwegbewegt, wobei der Pfropf nach
unten auf die Sammelmittel zufällt. So werden in dem
ersten Sammelmittel in Drehrichtung der Trommel
betrachtet die größten Partikel aufgefangen, während
die kleinsten in dem letzten Sammelmittel aufgefangen
werden.
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Die bekannte Fraktioniervorrichtung besitzt den ihr
innewohnenden Nachteil, daß sie diskontinuierlich
arbeitet, da das Zuführen von Suspension und das
Ausstoßen von Fraktionen nur einmal je Umdrehung
geschieht. Außerdem wird die Fraktionierstrecke, d. h.
die relative Strömungsstrecke der Suspension und
dementsprechend die Fraktionierzeit, durch die Länge
des helixförmigen Kanals bestimmt.
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In einer nicht offengelegten Lösung (SE-9303193-8)
der mit dieser Fraktioniervorrichtung verknüpften
Probleme wird eine Fraktioniervorrichtung mit einer um
eine im wesentlichen horizontale Achse drehbaren
Trommel und mit axial beabstandeten Zwischenräumen und
Wänden vorgeschlagen. Von einem zentral gelegenen
Einlaß, der in einer der Endwände der Trommel liegt,
verlaufen Fließkanäle zwischen den Endwänden hin und
zurück und radial nach außen in Richtung auf ein
Auslaßmittel für die zumindest zwei Fraktionen in dem
anderen Ende der Trommel. Der Fließkanal wird durch im
wesentlichen konzentrische, zylindrische Wände
begrenzt, von denen jede zweite an ihrem einen axialen
Ende dicht mit einer Endwand der Trommel und jede
andere zweite an ihrem einen axialen Ende dicht mit der
anderen Endwand der Trommel verbunden ist, so daß die
Strömung zwischen den jeweils anderen Enden der
zylindrischen Wände und der einen beziehungsweise
anderen Endwand der Trommel stattfinden kann.
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Es hat sich gezeigt, daß diese
Fraktioniervorrichtung alle Erwartungen hinsichtlich der
Fraktionierfähigkeit gut erfüllt, aber aufgrund der
zylindrischen Wände, die abwechselnd an der einen oder
anderen Endwand angebracht werden, natürlich die
Nachteile einer vergleichsweise komplizierten Fertigung
mit sich bringt. Daher wäre eine Vereinfachung der
mechanischen Konstruktion wünschenswert. Bei
praktischen Tests mit dieser Fraktioniervorrichtung hat
sich überraschenderweise herausgestellt, daß das
Fraktionieren schon nach einem Durchlauf zwischen den
Endwänden der Trommel, d. h. vom Einlaß bis zur
gegenüberliegenden Endwand, abgeschlossen oder
zumindest hinreichend abgeschlossen ist. Es zeigt sich
somit, daß ein weiteres Hin- und Zurückströmen
zumindest praktisch nicht notwendig ist und in gewissem
Maße auch die Kapazität reduziert.
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Da es sich überraschenderweise gezeigt hat, daß es
möglich ist, mit angemessenen Trommellängen eine
befriedigende Fraktionierung zu erhalten, indem man
eine Suspension lediglich dazu bringt, einen axialen
Durchlauf entlang der Trommellänge auszuführen, wird
folglich gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Fraktioniervorrichtung zum Fraktionieren einer
Suspension in zumindest zwei Fraktionen vorgeschlagen,
mit einer Trommel, die um eine im wesentlichen
horizontale Welle drehbar ist und Einlaßmittel für
Suspension und mindestens ein Auslaßmittel für
Fraktionen aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Trommel mindestens zwei Wände aufweist, die um
die Welle gekrümmt sind und die sich im wesentlichen
parallel dazu in deren Längsrichtung erstrecken, wobei
die Wände zwischen sich einen Fluidkanal bilden, der im
wesentlichen parallel zur Welle ist, und dadurch, daß
der Einlaß in einem ersten Ende der Trommel und
Auslässe für die mindestens zwei Fraktionen in dem
anderen Ende der Trommel vorgesehen sind.
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Die den Fließkanal bildenden Wände können koaxiale
Zylinderwände oder benachbarte Windungen einer
spiralförmig gekrümmten Wand sein.
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Die Erfindung wird im folgenden beschrieben werden,
wobei auf ein Beispiel einer Ausführungsform Bezug
genommen wird, das in den folgenden beigefügten
Zeichnungen gezeigt ist:
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Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch die
Fraktioniervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die eine Trommel mit koaxialen
Zylinderwänden oder einer spiralförmig gekrümmten Wand
aufweist,
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Fig. 2 ist eine Rückansicht einer Trommel gemäß
Fig. 1, von der Auslaßseite her gesehen,
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Fig. 3 ist eine Ansicht einer Trommel gemäß Fig. 1
mit Zylinderwänden, von der Einlaßseite her gesehen,
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Fig. 4 ist eine Ansicht einer Trommel gemäß Fig. 1
mit koaxialen Zylinderwänden, von der Auslaßseite her
gesehen,
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Fig. 5 ist eine Ansicht einer Trommel mit einer
spiralförmig gekrümmten Wand, von der Auslaßseite her
gesehen,
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Fig. 6 ist ein teilweiser Querschnitt durch den
oberen linken Teil einer Trommel gemäß Fig. 1 in
vergrößertem Maßstab, und
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Fig. 7 zeigt die Arbeitsprinzipien der
Fraktioniervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte
Fraktioniervorrichtung, die zum Fraktionieren einer
Suspension in drei Fraktionen ausgelegt ist, umfaßt
einen Rotor in Form einer Fraktioniertrommel 1 und ein
Fraktioniergehäuse 2. Die Trommel wird von einer im
wesentlichen horizontalen Welle 3, die sich in Lagern
4, 5 axial außerhalb des Gehäuses 2 dreht, stabil
getragen. Die Lager werden von einem Maschinenbock 6, 7
getragen. Die Welle kann mittels eines Motors 8 und
eines Untersetzungsgetriebes 9, das kraftschlüssig mit
dem Motor und der Welle verbunden ist, angetrieben
werden, so daß die Trommel mit einer vergleichsweise
niedrigen Drehgeschwindigkeit, beispielsweise 2,5 -
5, 5 U/min. typischerweise 4 U/min. gedreht werden kann.
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Das Gehäuse weist parallele Endwände 10 und 11 auf,
wobei die Wand 10 mit einem Einlaß 12 für die
Suspension und die Wand 11 mit Auslässen 13, 14 und 15
für die drei Fraktionen versehen ist.
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Das Gehäuse ist zumindest bis zur Höhe der Welle,
wo Stopfbüchsen 16, 17 eine Dichtung zwischen der Welle
und den Endwänden 10 und 11 bilden, flüssigkeitsdicht.
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Das Gehäuse weist eine zylindrische Umhüllung 18
auf; diese und die Endwände 10 und 11 sind entlang
einer horizontalen, diametralen Ebene durch die Welle 3
in obere Teile 18a beziehungsweise 10a, 11a und untere
Teile 18b beziehungsweise 10b, 11b geteilt, so daß ein
Oberteil des Gehäuses in Form einer Abdeckung von einem
Unterteil abgehoben werden kann, der einen Trog für die
Suspension bildet. Zumindest die Teile der
zylindrischen Umhüllung, aber vorzugsweise auch die
Endwände, sind in der Teilungsebene mit auswärts
gerichteten Flanschen versehen. In Fig. 2 ist gezeigt,
wie die Flansche der zylindrischen Umhüllung an einem
Außenteil 7' des Maschinenbocks ruhen. In den Endwänden
sind Inspektionsluken 19 und 20 vorhanden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Trommel
zumindest zwei Wände, die um die Welle gekrümmt sind
und sich im wesentlichen parallel dazu in Längsrichtung
der Welle erstrecken, wobei die Wände zwischen sich
einen Fluidkanal bilden, der im wesentlichen parallel
zur Welle ist. Zwischen diesen Wänden kann Suspension
vom Einlaßende der Trommel zu ihrem Auslaßende fließen.
Aus praktischen und nicht zuletzt aus Kapazitätsgründen
besteht die Fraktioniertrommel gemäß der vorliegenden
Erfindung aus mehreren parallelen Fließkanälen, die
entweder von einer Vielzahl konzentrischer
Zylinderwände oder einer kontinuierlichen Wand gebildet
werden, die in mehreren spiralförmigen Windungen
gekrümmt ist.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind
einundzwanzig derartige Wände vorhanden, die jeweils zu
zweit zwanzig, zur Welle parallele Fließkanäle
begrenzen. Aus Zwecken der Übersichtlichkeit besitzen
in Fig. 1 nur die drei radial inneren Wände und die
vier radial äußeren Wände Bezugszeichen, d. h. 21, 22,
und 23 beziehungsweise 24, 25, 26 und 27.
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An der Einlaßseite ist die radial innere Kanalwand
21 dicht mit dem Randbereich einer kreisförmigen
Endplatte 28 verbunden (damit verschweißt), die eine
Nabe für eine Anzahl radial ausgerichteter Speichen 29
bildet. An der Auslaßseite könnte die Kanalwand 21 ohne
Halterung an der Welle enden, es wird jedoch
vorgezogen, daß sie auch dort dicht mit dem Rand einer
kreisförmigen Endplatte 30 verbunden (damit
verschweißt) wird. Die Endplatten 28 und 30 sind dicht,
aber nicht drehbar, mit der Welle 3 verbunden (damit
verschweißt). Die Kanalwand 21, die wie gezeigt eine
wesentlich größere Materialdicke als die übrigen
Kanalwände aufweist, bildet zusammen mit den Endplatten
28 und 30 ein Versteifungsmittel für die Welle 3 gegen
eine Torsion sowie eine Verbiegung.
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Die Kanalwände 22, 23 ..... 24, 25, 26 und 27 werden
alle nur durch die Speichen 29 an einem ihrer Enden
verbunden und gehaltert. Dieses Ende bildet das
Einlaßende der Fließkanäle, die sich zwischen
jeweiligen Paaren benachbarter Kanalwände erstrecken,
und der Einlaß der Trommel wird von den Freiräumen 31
zwischen den Speichen 29 gebildet. Am
gegenüberliegenden Ende enden die eine gleiche Länge in
axialer Richtung besitzenden Kanalwände 22 ... 27
vollkommen frei, so daß die Fließkanäle an diesem Ende,
ihrem Auslaßende, vollkommen offen sind. Zwischen dem
Auslaßende der Kanäle und der Endwand 11 des Gehäuses
befindet sich ein kleiner Zwischenraum S (z. B. 0,5-1
mm).
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Beim Betrieb der Fraktioniervorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung wird Suspension durch den Einlaß
12 in das Gehäuse in einen Raum 32 zwischen der Endwand
10 und dem Einlaß der Trommel, d. h. den Speichen 29
und der Endplatte 28, eingeführt. Der Suspensionsstrom
wird so eingestellt, daß der Pegel L an der Einlaßseite
der Trommel, d. h. dem Raum 32, über die radial innere
Kanalwand 21, z. B. bis gerade unterhalb der Welle 3,
reicht. Die Suspension wird dann durch die Einlaßräume
31 zwischen den Speichen 29 hinein- und ausschließlich
entlang der Fließkanäle, die von den Paaren
benachbarter Kanalwände 21-22, 22-23, ... 25-26, 26-27
gebildet werden, und durch die offenen Enden der
Fließkanäle hinaus zu dem Auslaß 13 der
Fraktioniervorrichtung strömen.
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Wenn die Trommel nun gedreht wird, tritt eine
Erhöhung der Strömungsdistanz auf. Eine derartige
Zunahme hängt natürlich von der Drehgeschwindigkeit der
Trommel ab, da bei einer höheren Drehgeschwindigkeit
zwei der Zylinderwände der Trommel, zwischen denen und
entlang derer die Strömung auftritt, Zeit haben, sich
über eine größere Strecke während der Zeit zu drehen,
die ein bestimmtes Volumen zwischen ihnen vorhanden
ist, d. h. während seines Durchtritts vom Einlaßende
der Trommel zu ihrem Auslaßende. Falls zum Beispiel die
Drehgeschwindigkeit der Trommel bei einer bestimmten
axialen Strömung so ist, daß ein bestimmtes Volumen mit
Partikeln Zeit hat, während einer Umdrehung vom
Einlaßende der Trommel zu ihrem Auslaßende zu fließen,
ist die Strömungsstrecke gleich der Diagonalen des
Rechtecks, dessen eine Seite die axiale Länge der
Kanalwand und dessen andere Seite der Umfang dieser
Kanalwand (im Falle koaxialer Zylinderwände)
beziehungsweise die Länge einer Spiraldrehung (im Falle
spiralförmig gekrümmter Wände) ist, d. h. länger als
bei einer Umdrehung der bekannten
Fraktioniervorrichtung mit einem helixförmigen Kanal
und länger als bei einer stationären Fraktioniertrommel
gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Strömungsbahn
beschreibt somit eine Schraubenlinie, deren Steighöhe
mit zunehmender Drehgeschwindigkeit abnimmt, d. h. das
Flüssigkeitsvolumen hat während des Durchtritts vom
Einlaßende der Trommel zu ihrem Auslaßende mit
zunehmender Drehgeschwindigkeit Zeit, mehrere
Umdrehungen relativ zur Kanalwand auszuführen. Somit
wird die Fraktionierstrecke beträchtlich erhöht und
dementsprechend auch der Separationsgrad zwischen
Partikeln unterschiedlicher Größe.
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Da es sich gezeigt hat, daß vergleichsweise
niedrige Drehgeschwindigkeiten und vergleichsweise hohe
Strömungen eine ungenügende Fraktionierung zur Folge
haben, können Fraktioniertrommeln mit spiralförmig
gekrümmten Wänden ohne Nachteil verwendet werden, ohne
daß ein beträchtlicher radialer Versatz des Fließkanals
infolge der Drehung der Trommel stattfindet.
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Beim Drehen der Trommel in der in den Fig. 3 und
4 durch die Pfeile A angezeigten Richtung wird als
Folge davon, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen
der Flüssigkeit und den sich drehenden Kanalwänden zum
Trommelumfang hin zunimmt, die Oberfläche der
Suspension annähernd wie in Fig. 4 gezeigt, d. h. mit
einem zunehmenden Anheben beziehungsweise Absenken, zum
äußeren Trommelumfang hin positioniert.
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In jedem durch zwei benachbarte Kanalwände
begrenzten Fließkanal bewegt sich somit ein
Suspensionsteilring mit der Querschnittsgröße von fast
einem Halbkreis von dem Einlaß 32 zum Auslaßende des
Fließkanals hin. Bei einem derartigen Querschnitt, der
mit dem zuvor erwähnten Suspensionspfropf verglichen
werden kann, findet eine sukzessive Umordnung von
Partikeln statt, so daß am Auslaßende die größten
Partikel die ersten in dem Querschnitt und die
kleinsten die letzten sind. Das eigentliche
Fraktionieren ist somit beendet und die Fraktionen
könnten im Prinzip so gehandhabt werden, daß man den
Strom frei nach unten in zwei oder mehr Behältnisse für
verschiedene Fraktionen fallen läßt, die hintereinander
in einer Reihe unter dem Auslaßende plaziert sind, wie
z. B. bei der bekannten Fraktioniervorrichtung.
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Es wird jedoch vorgezogen, die erwähnten
Fraktionenauslässe 13, 14 und 15 anzuordnen. Aus
Gründen der Übersichtlichkeit sind diese auch in Fig. 4
eingezeichnet und so angeordnet, daß der Auslaß 15 in
Drehrichtung der Trommel betrachtet zuerst und der
Auslaß 14 zuletzt angeordnet ist und der Auslaß 13
zwischen den beiden anderen. In relativer
Strömungsrichtung des Suspensionspfropfs betrachtet ist
die Reihenfolge umgekehrt. Die größten Partikel
befinden sich daher in dem Bereich des Auslasses 14,
die mittleren in dem Bereich des Auslasses 13 und die
feinsten in dem Bereich des Auslasses 15.
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Wie in Fig. 1 in Verbindung mit Auslaß 13 und in
Fig. 2 in Verbindung mit allen Auslässen angegeben,
sind Führungsmittel 33, 34, 35 wie beispielsweise
Metallplattenschirme oder dergleichen vorhanden, um die
Fraktionen aus abgegrenzten Sektoren der Trommel zu den
Auslässen 13, 14 und 15 zu führen. In Fig. 2 sind diese
Sektoren annähernd in den Positionen zwischen 3 und 5
Uhr, zwischen 5 und 7 Uhr und zwischen 7 und 9 Uhr
angeordnet. Um die Strömung durch die Trommel und
insbesondere den Pegel darin einzustellen, wird
zumindest ein Auslaß mit nicht gezeigte Reguliermitteln
versehen.
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Es zeigt sich, daß sich eine Trommel mit koaxialen
Zylinderwänden von einer Trommel mit einer spiralförmig
gekrümmten kontinuierlichen Wand im axialen Querschnitt
nicht unterscheidet. Die Endansicht einer Trommel mit
einer spiralförmig gekrümmten kontinuierlichen Wand ist
in Fig. 6 nur aus Gründen der Vollständigkeit und, aus
Gründen der Übersichtlichkeit, mit nur sechs
Spiralwindungen gezeigt.
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In Fig. 7 sind die Betriebsprinzipien für eine
Fraktioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Im Unterschied zur bekannten
Fraktioniervorrichtung, bei der die Strömungsrichtung
und die Fraktionierrichtung ein und dieselbe sind,
findet die Strömung hier in der axialen Richtung der
Trommel statt, während die Fraktionierrichtung bei
einer Fraktioniervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Resultante einer axialen
Strömungsrichtung und einer relativen Strömungsrichtung
ist, die von der Drehung der Trommel abhängt, wobei die
Fraktionen infolge der Drehung der Trommel
unterschiedliche angulare Positionen in Umfangsrichtung
der Trommel einnehmen. Im praktischen Einsatz und beim
Betrieb mit drehender Trommel wird die
Fraktionierrichtung daher im wesentlichen senkrecht zur
axialen Strömung ausgerichtet.