Mechanisches Trennen - teaching.eduhi.atteaching.eduhi.at/lehnerj/APA/Mechan Trennen.pdf · APA –...

Mechanisches Trennen 1 SEDIMENTIEREN ..................................................................................................................................... 2 2 KLASSIEREN ............................................................................................................................................. 6 3 FLOCKUNG UND FLOTATION.............................................................................................................. 8

3.1 FLOCKUNG (FIOCCULATION, COAGULATION)........................................................................................ 8 3.2 FLOTATION (FLOTATION)...................................................................................................................... 8

4 ZENTRIFUGIEREN................................................................................................................................... 9 4.1 PRINZIP UND AUFBAU DER FILTER- UND SEDIMENTIERZENTRIFUGEN.............................................. 10 4.2 SEDIMENTIER-ZENTRIFUGEN .................................................................................................... 11

4.2.1 Schälrohr-Zentrifugen................................................................................................................... 11 4.2.2 Teller-Zentrifugen ......................................................................................................................... 12 4.2.3 Schneckenaustragszentrifuge ........................................................................................................ 12

4.3 FILTRIER-ZENTRIFUGEN ............................................................................................................. 14 4.3.1 Vertikalkonus-Zentrifuge............................................................................................................... 14 4.3.2 Schub-Zentrifuge ........................................................................................................................... 14 4.3.3 Pendel-Zentrifuge.......................................................................................................................... 15 4.3.4 Siebschnecken-Zentrifuge.............................................................................................................. 15 4.3.5 Taumel-Zentrifuge......................................................................................................................... 15

5 TROMMELFESTIGKEIT....................................................................................................................... 16 5.1 MATERIALFESTIGKEITEN .................................................................................................................... 17

6 ZYKLON.................................................................................................................................................... 19 6.1 TRENNTEILCHENGRÖßE....................................................................................................................... 20 6.2 DRUCKVERLUST UND ZYKLONAUSLEGUNG ........................................................................................ 21 6.3 KONSTRUKTIVE AUSFÜHRUNGEN ....................................................................................................... 21 6.4 HYDROZYKLON .................................................................................................................................. 23

7 FILTER ...................................................................................................................................................... 25 7.1 GRUNDLAGEN..................................................................................................................................... 25 7.2 FILTERMITTEL ...................................................................................................................................... 25 7.3 FILTERHILFSMITTEL .............................................................................................................................. 26 7.4 BERECHNUNG ....................................................................................................................................... 26 7.5 DISKONTINUIERLICHE FILTER ............................................................................................................... 26 7.6 KONTINUIERLICHE FILTER .................................................................................................................... 28

8 GASREINIGUNG...................................................................................................................................... 31 8.1 GASFILTER ........................................................................................................................................... 31

8.1.1 Gewebefilter................................................................................................................................. 31 8.1.2 Elektrofilter................................................................................................................................... 33

8.2 ABSCHEIDER ........................................................................................................................................ 34 8.2.1 Trockenabscheider...................................................................................................................... 34 8.2.2 Nassabscheider ........................................................................................................................... 34 8.2.3 Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen ................................................................................... 36

9 AUSWAHL MECHANISCHER TRENNEINRICHTUNGEN............................................................. 37

APA – mechan.Stofftrennung Seite 2 HTL-Wels Autor DI J.Lehner

1 Sedimentieren Berechnungsgrundlagen (Sinkgeschwindigkeit von Partikeln in einer Dispersionsphase (=kontin.Phase), Quer- u. Längsströmung im Absetzraum (=Becken), …) s. Vortrag!


2 Klassieren

Man erkennt, dass Teilchen unterschiedlicher Größe oder Dichte verschiedene Absetzgeschwindigkeiten aufweisen. Bei den Klassierapparaten (Sortierapparate, classifier, sizer) nutzt man dies zur kontinuierlichen Trennung der Teilchen einer Schüttung nach Korngröße oder Dichte. Für gröbere Teilchen mit Größen über etwa 0,2 mm genügt dazu das Absetzen durch Schwerkraft. Für die Klassierung von Feingut wird der Absetzvorgang meist durch die Fliehkraft verstärkt ( kleineres Apparatevolumen). Sie wird durch entsprechende Strömungsumlenkungen erzeugt. Falls die Klassierung in einem Gas als Dispersionsphase (= kontinuierliche Phase) erfolgt, spricht man von Windsichten oder Sichten (classifying, sizing). Wenn die Klassierung in einer Flüssigkeit erfolgt, bezeichnet man sie als Stromklassierung (Naßklassierung, wet classifying). Das Windsichten dient i.allg. der Trennung feiner Teilchen, während mit den Stromklassierern gröbere Feststoffe klassiert werden. Das Klassieren durch Schwer-kraft kann in Gegenstrom- und Querstromapparaten erfolgen. Bei den Gegenstromapparaten (Steigrohrsichter) strömt ein Gas- oder eine Flüssigkeit in vertikaler Richtung. Die Geschwindigkeit wird so gewählt, daß sie zwischen der Sinkgeschwindigkeit der zu trennenden Teilchen liegt. Das Grobgut sinkt dann nach unten, während das Feingut nach oben mitgetragen wird. In den Querstromapparaten werden die zu trennenden Teilchen durch einen horizontalen Fluidstrom je nach der Sinkgeschwindigkeit mehr oder weniger weit mitgetragen. Das Grobgut sinkt zuerst aus dem Fluidstrom, während sich das Feingut erst nach einer längeren Strecke absetzt. Es gibt eine große Vielfalt von Klassierapparaten, auf die in diesem Rahmen dieser Einführung nicht näher eingegangen werden soll. Es soll hier auf die Erörterung je eines nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Windsichters und Stromklassierers begrenzt werden.


Das linke Bild zeigt einen Steigsichter zur kontinuierlichen Trennung einer Schüttung im Korngrößenbereich um 1 mm in zwei Kornklassen. Dazu werden die Schüttgutteilchen durch ein zentrales Zulaufrohr und einen Verteilkegel in den kreisringförmigen Trennraum geleitet. Die Luftgeschwindigkeit im Ringraum wird so eingestellt, dass das Grobgut nach unten sinkt und das Feingut nach oben getragen wird. Der Ringraum ist demzufolge so zu dimensionieren, dass darin die Luftgeschwindigkeit zwischen den Sinkgeschwindigkeiten der Teilchen des Grobguts und des Feinguts liegen. Solche Apparate werden auch zur Abtrennung von Staub, Fein- oder Faserteilchen aus Schüttungen eingesetzt. Sie werden deshalb auch als pneumatische Reiniger bezeichnet.

Im rechte Bild ist ein Aufstromklassierer für Grobgut. Die zulaufende Suspension gelangt durch ein Tauchrohr in den Trennapparat. Von unten tritt durch einen Anströmboden zusätzliches Wasser ein. Dieses erzeugt mit den abgesunkenen Feststoffteilchen ein Fließbett. Die Geschwindigkeit im Fließbett wird so hoch gewählt, daß sie über der Austragsgeschwindigkeit für die feinen Teilchen liegt. Das Feingut wird deshalb im Ringraum neben dem Tauchrohr nach oben ausgetragen. Das Grobgut tritt durch den in der Überlaufhöhe verstellbaren Schwanhals. Dadurch läßt sich die Trennzone im Apparat festlegen. Gegenüber gewöhnlichen Aufstromklassierern zeichnet sich der beschriebene Apparat durch eine wesentlich höhere Trennschärfe aus. Es sei hier erwähnt, dass auch die Flotation ein ausgezeichnetes Mittel zur Klassierung von Feststoffteilchen sein kann.


3 Flockung und Flotation

Allgemein: Feine Teilchen sedimentieren laminar. Ihre Sinkgeschwindigkeit ist deshalb dem Quadrat der Teilchengröße proportional.Feine Teilchen sedimentieren nur sehr langsam. Unterhalb einer Teilchengröße von etwa 0,01 mm (10 µm) wird die Sedimentation bereits durch molekulare Bewegungsvorgänge beeinflußt. In Flüssigkeiten bleiben Teilchen bei Größen unter etwa 0,001 mm (1 µm) dauernd in der Schwebe. Die minimale Absetzgeschwindigkeit für einen wirtschaftlichen Einsatz von Sedimentationsapparaten liegt bei etwa 10 -5 m/ s. Die Sedimentation durch Schwerkraftwirkung ist deshalb auf Teilchengrößen über rund 0,01 mm (10 µm) begrenzt. Durch Flockung oder Flotation können trotzdem auch feinere Teilchen mittels Schwerkraftsedimentation aus Suspensionen abgeschieden werden.

3.1 Flockung (fiocculation, coagulation) zur Flockung mischt man der Suspension vor der Sedimentation mit Rührern oder in turbulenten Rohrströmungen Flockungsmittel (flocculating agents) wie Eisenchlorid, Aluminiumsulfat oder synthetische makromolekulare Substanzen bei. Diese führen zur Agglomeration mehrerer feiner Teilchen zu wesentlich größeren Flocken mit einer entsprechend höheren Sedimentationsgeschwindigkeit. Zahlreiche Feststoffteilchen (insbesondere frische Mahlprodukte) neigen zur Eigenflockung, bei der die Teilchen ohne die Zugabe von Flockungsmitteln zu größeren Verbänden agglomerieren. Die Eigenflockung kann durch langsam laufende Rührer gefördert werden (mechanische Flockung).

3.2 Flotation (flotation) Bei der F l o t a t i o n werden die Festoffteilchen durch aufsteigende Gasblasen aus Suspensionen transportiert. In der Bodenzone des Flotationsbeckens werden durch Einblasen von Gasen (meist Luft) aus porösen Böden oder Düsen feine Blasen erzeugt (pneumatische Flotation). Die Blasen können auch durch Druckerniedrigung (Entspannungsflotation) oder Erwärmen vorher mit Gasen gesättigter Suspensionen gebildet werden. Als weitere Möglichkeiten zur Erzeugung feiner Gasblasen gelangen die Begasung mit Rührern, die Zufuhr von Gas und Suspension in Mischdüsen und die Elektrolyse der kontinuierlichen Phase (elektrolytische Flotation) zur Anwendung.

Die Teilchen der Suspension, welche durch die diskontinuierliche (= disperse-) Phase schlecht benetzt werden, neigen dazu, sich an der Oberfläche der aufsteigenden Gasblasen anzulagern. Sie sammeln sich schließlich in der sich über der Suspension bildenden Schaumschicht an und werden von dort durch Räumwerkzeuge entfernt.

Die Teilchen der Suspension, welche von der kontinuierlichen (= Dispersions-) Phase gut benetzt werden, haften nicht an den Gasblasen und bleiben in der Suspension zurück. Durch die Flotation können deshalb Stoffe selektiv aus einer Suspension entfernt werden. Die Flotation hat daher auch als Klassierverfahren besondere Bedeutung und wird beispielsweise zur Gewinnung mineralischer Rohstoffe aus Erzen und zur Kohleaufbereitung in großem Umfang eingesetzt. Erwähnenswert ist auch die Entfernung von Druckerschwärze aus Altpapier oder die Abtrennung von Proteinen aus wässerigen Lösungen.

Da auch Teilchen mit sehr geringer Dichtedifferenz zur kontinuierlichen Phase abgetrennt werden können, ist die Flotation in der Abwasserreinigung eine interessante Alternative zur konventionellen Flockungssedimentation. Wenn die Feststoffe nicht genügend wasserabstoßend sind, müssen der Suspension Chemikalien beigemischt werden. Durch die Wahl und die richtige Dosierung entsprechender Flotationsmittel können die Benetzungseigenschaften der Feststoffteilchen und damit die Selektivität der Flotation gezielt beeinflußt werden.


4 Zentrifugieren Bei der Sedimentation feiner Teilchen treten besonders im Falle eines geringen Dichteunterschieds zwischen Teilchen und Fluid sehr große Absetzzeiten auf. Bei Suspensionen könnte in solchen Fällen neben der Flockung und der Flotation auch durch Erwärmen eine gewiße Erhöhung der Absinkgeschwindigkeit erreicht werden. Dies wäre aber mit einem hohen Energieaufwand verbunden und würde infolge der dadurch verstärkten thermischen Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle bei sehr feinen Teilchen nicht zum Ziel führen. Beim Zentrifugieren wird die Schwerkraft als treibende Kraft durch die Fliehkraft ersetzt. Da in Zentrifugen Zentrifugalbeschleunigungen bis über 100.000 g (!) erreicht werden, können auch Trennaufgaben bewältigt werden, die mit der Schwerkraftsedimentation nicht oder nur mit unverhältnismäßig großen Apparatevolumina durchführbar wären.

Normale Zentrifugen Super Zentrifugen Ultra Zentrifugen

200 – 4.000 g 4.000 – 50.000 g bis über 100.000 g

Die kontinuierliche Filtration hingegen ist ohne sehr großen konstruktiven Aufwand (z.B. Drucktrommelfilter) nur als Vakuumfiltration möglich. Der maximale Druckverlust in Kuchen und Filtermittel ist dann auf Werte unter etwa 0,85 bar begrenzt. In diskontinuierlich arbeitenden Druckfiltern sind zwar wesentlich höhere Differenzdrücke möglich - der Aufwand zur Kuchenentfernung ist aber oft erheblich. Hier sind die Zentrifugen überlegen, da die Kuchenentnahme bei den Zentrifugen aus offenen Trommeln erfolgen kann (Druckaufbau in der Zentrifugentrommel statt in einer Pumpe).

Das Zentrifugieren ist ein mechanisches Trennverfahren zur Trennung von Suspensionen und von Emulsionen mit Hilfe der Fliehkraft.

Durch Zentrifugieren könnten auch Rauch und Nebel getrennt werden. Dazu genügen aber i.allg. die viel einfacher aufgebauten Zyklone.

Man unterscheidet zwei grundsätzlich verschiedene Zentrifugenarten.


Die Filterzentrifugen (filtering centrifuges): hier wird die auf die kontinuierliche Phase (= Dispersionsphase) wirkende Fliehkraft genutzt und

die Sedimentierzentrifugen (sedimentation centrifuges): hier wird die auf die verteilte Phase (= disperse Phase) wirkende Fliehkraft genutzt.

4.1 PRINZIP und Aufbau der Filter- und Sedimentierzentrifugen Die Filterzentrifugen weisen durchlässige Trommeln auf. Die Sedimentierzentrifugen besitzen Vollmanteltrommeln. Unter der Fliehkraftwirkung wird das zulaufende Gemisch an den Trommelmantel geschleudert und bildet dort einen rotierenden Suspensionsring.

Prinzip von Filter- und Sedimentierzentrifugen (siehe untere Bilder): A) Filterzentrifuge mit gelochter Trommel: 1 Suspensionszufuhr mit Verteilung über ganze Trommelbreite, 2 Suspensionsring, radial strömend, 3 Kuchen, 5 radialer Filtrataustritt B) Sedimentierzentrifuge mit Vollmanteltrommel 1 Suspensionszufuhr, 2 Suspensionsring, 4 Schlamm, 6 Austritt der geklärten Flüssigkeit über Überlauf.

Pfeilrichtungen geben die Flussrichtung der zu klärenden Flüssigkeit innerhalb der Zentrifugentrommel an ( Dispersions- oder kontinuierliche- Phase)

Überlauf-Wehr

Berechnungsgrundlagen: Die überschlägige Berechnung kann meist mit der Stokes'schen Formel erfolgen, wobei g durch die Zentrifugalbeschleunigung z ersetzt wird. Stokes deshalb, weil die Wandergeschwindigkeit von kleinen Teilchen nach außen einer „schleichende Strömung“ entspricht.

mmmmz

mzz

ru

rurrawird

runrrunfrmamFmit

²²:

²60

260

22:

22

222

===

=======

ω

ωπωππωω

f Drehfrequenz [1/s] n Drehzahl [U/min] u Umfangsgeschwindigkeit [m/s] Zentrifugentrommelausschnitt: rm mittlerer Radius für die Berechnung der Drehbeschleunigung wz Absetzgeschwindigkeit der Teilchen in der Trommel [m/s] az Beschleunigung [m/s²]

2ia

mrrr +

=


f

flppzz

daw

ηρρ

18)(² −

= unter der Βedingung, dass: Re < 0,5

g

rn

gaz

mz

m

2

602

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

==

π

mittlerer Beschleunigungswert ( Vielfaches der Schwere-

beschleunigung g). Da die Zentrifuge meist nur max. bis zur Hälfte gefüllt wird, kann angenommen werden:

ri = 0,7 ra rm = 0,85 ra

Anlaufleistung: P ~ 0,0017 d² ua3 ρfl ua …. Umfangsgeschw. des Zentrifugenmantels Dauerleistung: rund 25% der Anlaufleistung

4.2 SEDIMENTIER-ZENTRIFUGEN Problem bei den meisten Zentrifugen ist die Lagerung (fliegende Welle)

4.2.1 Schälrohr-Zentrifugen diskontinuierlich kontinuierlich t = 3 - 15 min (für geringeren Feststoffgehalt)

Filtrat Zulauf tangentiales Schälrohr

Filtrat

Zulauf Schlamm


4.2.2 Teller-Zentrifugen

Werden auch Separatoren genannt. Vorwiegend zum Trennen von Emulsionen und feinen Suspensionen. Hohe Drehzahlen. ("Rahmschleuder").

Zu wesentlich höheren Durchsätzen, bei gleichem Bauvolumen kommt man durch eine Konstruktion, die sich auch als „rotierender“ Lamellenklärer umschreiben läßt.

Die Suspension tritt durch den Zulauf in die Zentrifuge ein und wird von unten zum ersten rotierenden Teller geführt. Zwischen den Tellern erfolgt die Trennung, wenn der Feststoff durch die Zentrifugalkraft gegen die Wand des oberen Tellers gedrückt wird und nach unten bzw. nach außen wandert, während die flüssige Phase den Weg zwischen den Tellern nach oben fortsetzt. Der Feststoff wird von der Trommelwand mit Hilfe einer Schnecke entfernt und ausgetragen. Die Trommel rotiert (mit etwas geringerer Drehzahl), um die Teller nicht allzu stark abzubremsen.

Öffnungen in den Tellern ermöglichen den Zusammenstoß von Teilchen ⎯⎯→

Zulauf

Schnecke

Teller-Neigung:30 - 50°

n1 > n2∆n: 20 - 70 U/min

Schlamm

n1

Filtrat

n2

4.2.3 Schneckenaustragszentrifuge

werden als Dekanter (scroll-type centrifuge) bezeichnet. Die Suspension gelangt durch eine Hohlwelle und durch die Förderschnecke auf den rotierenden Suspensionsring in die Vollmanteltrommel. Der Feststoff (ρp > ρF) sedimentiert zur Trommelwand wobei die geklärte Flüssigkeit über ein Wehr zum Flüssigkeitsaustritt gelangt. Der Schlamm wird in umgekehrter Richtung über den konischen Trommelteil mit Hilfe der Förderschnecke (die sich mit einer etwas geringerer Drehzahl als die Trommel dreht) aus dem Suspensionsring gefördert. Vor dem Austritt aus der Trommel wird der Schlamm nach dem Austauchen aus dem Suspensionsring entwässert. Diese Schlammentwässerung der Dekanter ist gegenüber den anderen Sedimentationszentrifugenbauarten ein wesentlicher Vorteil. Mit Dekantern lassen sich Suspensionen mit Feststoffvolumenanteilen bis zu 60 % verarbeiten.

Durch entsprechende Änderung der Wehrhöhe und des Volumenstroms findet der Dekanter auch als Klassierer Verwendung. Die Strömung im Dekanter wird durch die mit einer Differenzdrehzahl mitrotierende Schnecke gegenüber jener in gewöhnlichen Vollmantelzentrifugen erheblich komplizierter. Zur Erhöhung der Absetzgeschwindigkeit wird oft auch mit Flockungsmitteln gearbeitet.


Prinzips Skizze eines Dekanters:

n1 n2

Schnecke

Filtrat

Schlamm

Zulauf

Das „Austauchen“ des Schlamms aus dem Suspensionsring ist in der nachfolgenden Skizze zu sehen: Industrielle Ausführung eines Dekanters:

Allgemein zu dieser Trennungsart: VT: kontinuierlich, einfach NT: Feststoff hat einen relativ hohen Feuchtigkeitsgehalt Flüssigkeit ist noch trüb Abhilfe: Zugabe von Flockungsmittel (Preis!)


4.3 FILTRIER-ZENTRIFUGEN Im Gegensatz zu anderen Verfahren wird die Flüssigkeit vom Feststoff durch Lochtrommeln (sog. Siebtrommeln) getrennt. Die Flüssigphase sickert durch den Feststoff unter Einwirkung der Fliehkraft und wird dabei filtriert. Teilweise Zugabe von Filterhilfsmitteln. Die eigentliche Filtrierung erfolgt durch den Filterkuchen. Meist 3 Vorgänge: 1. Filtrierung 2. Waschen (Einsprühen von Waschflüssigkeit) 3. Trocknen 4.3.1 Vertikalkonus-Zentrifuge stehend oder hängend. Diskontinuierlich

Im Filterkuchen verbleibt die Kapillarflüssigkeit. Diese lässt sich weitgehend nur durch thermisches Trocknen oder Verdampfen (meist unter Vakuum) entfernen. Restfeuchte: 2 - 60 Gew%

Aufgabe

Filtrat

φ 10–20mm

Schubtell

Wasch-flüssigkeit

Filtrat

Aufgabe 4.3.2 Schub-Zentrifuge Kontinuierlich. Der Schubteller trägt durch periodische Hubbewegungen einen Teil des Feststoffes aus. Gleichzeitig Lockerung des Kuchens. z.B. Entwässerung von Kochsalz


4.3.3 Pendel-Zentrifuge Durch Aufhängung an 3 Säulen erfolgt erschütterungsfreie Lagerung (auch für obere Stockwerke geeignet) Entleeren oben oder unten

3 Stützen = statisch

FzFeder verhindert Kippen

MFiltrat

Pendelstütze 4.3.4 Siebschnecken-Zentrifuge Ähnlicher Aufbau wie bei der Schneckenaustrags-Zentrifuge, nur mit einer Siebtrommel außen.

4.3.5 Taumel-Zentrifuge

Trübe- Zulauf

Schlamm

Filtrat

n1 n2

Der normalen Rotation wird eine exzentrische Taumelbewegung überlagert, die zu einer periodisch schwankenden Änderung der Fliehkraft und somit zu einer Auflockerung des Kuchens führt.

Filtrat

Schälmesser

tangentialer Austrag

Hohlwelle für die Hauptdrehung Welle für die

Taumelbewegung

Aufgabe


5 Trommelfestigkeit

σ

h

σ

s F2

F2

F

F/2

rst

rflda d i

F

F/2

AF

=σ F = Fst + Ffl A = 2 s h

Fst = mst rst ω² Ffl = mfl rfl�ω² 30

nπω =

aus Linienschwerpunkt: aus Flächenschwerpunkt:

π

ast

dr = )(3)(2

22

33

ia

iafl dd

ddr−−

=π

sta

st shdm ρπ2

= fliaflhddm ρπ

8)( 22 −=

SR

hsnrmrm

hsrmrm

AFF m

zulflflststflflststflst

tats =≤+

=+

=+

= σπω

σ 6108,1)²()(

2²)(

flflstst

zul

rmrmhsn

+≤

σπ

6

max108,11 �

r, s, h [mm] n [min-1] σ [N/mm²]


5.1 Materialfestigkeiten


Beispiel:

Untersucht werden soll die Absetzzeit von 20 m3 Suspension in einem Absetzbecken und in einer kontinuierlichen Zentrifuge.

Versuche ergaben eine Partikel-Absetzgeschwindigkeit im Standzylinder von 10-5 m/s.

Das Absetzbecken sei 1,4 m tief.

Die in Frage kommende Zentrifuge hat einen Außen∅ von 0,8 m, eine Länge von 1 m und eine Drehzahl von 500 U/min.

a) ist die Drehzahl bei einer Werkstofffestigkeit von Re = 250 N/mm² und einer 5-fachen Sicherheit noch zulässig?

b) wie groß ist die Anlaufleistung? (Motordimensionierung)


6 Zyklon Die Abscheidung der dispersen (=verteilte) Phase erfolgt in den Zyklonen ( Fliehkraft-abscheider, cyclone) wie in den Sedi-mentierzentrifugen durch Fliehkraft. Im Gegensatz zur aufwendigen Konstruktion der Zentrifuge weist der sehr einfach aufgebaute Zyklon keine bewegten Apparateteile auf, sieh rechtes Bild. Zyklone sind deshalb sehr preisgünstig. Ihr hoher Druckverlust und die oft bescheidene Trennschärfe sind allerdings erhebliche Nachteile. Das zu trennende Gemisch strömt i.allg. tangential in einen rotations-symmetrischen Raum. Dadurch wird in diesem eine Drehströmung erzeugt. In dieser werden die Teilchen (mit größerer Dichte) nach außen geschleudert. Die kontinuierliche (=dispersions) Phase entweicht durch das Tauchrohr nach oben (overflow), während die disperse am Zyklonmantel nach unten gleitet (underflow). Die Entnahme erfolgt im Falle fester disperser Phasen durch Zellradschleusen oder bei flüssiger disperser Phase durch Überläufe oder Pumpen. Der unten an den Zyklonmantel anschließende Abscheideraum und der darinangebrachte Abschirmkegel verhindern ein Wiederaufwirbeln abgeschiedener Feststoffteilchen. Der Zyklonmantel kann zylindrisch oder - wie im Bilddargestellt – mit einem konisch unteren Teil ausgeführt werden. Neben tangentialen Einlaufkonstruktionen werden Zyklone auch mit Spiraleinlauf und axialem Einlauf mit Leitschaufeln zur Erzeugung der Rotationsströmung gebaut. Zur Trennung größerer Volumenströme werden mehrere kleinere Zyklone parallel geschaltet, da man dadurch eine bessere Abscheidung erreicht als mit einem einzelnen großen Zyklon (Multizyklon, multiple cyclone).

Zyklone eignen sich zur Abscheidung fester Teilchen aus Gasen und Flüssigkeiten. Sie werden auch häufig für die Tropfenabscheidung aus Gasen eingesetzt.

Auch das Klassieren von Feststoffen zählt zu den Einsatzgebieten des Zyklons. Hier wirkt sich allerdings die geringe Trennschärfe einschränkend aus. Bedingt eignen sich Zyklone auch zum Trennen von Emulsionen. Die zur Abtrennung fester Teilchen


aus Flüssigkeiten gebauten Zyklone werden als Hydrozyklone (hydro-cyclone) bezeichnet.

Ihre Auslegung erfolgt nach ähnlichen Überlegungen wie jene der Gaszyklone.

6.1 Trennteilchengröße Die sich im Zyklon einstellende räumliche Strömung ist sehr kompliziert und läßt sich auch mit aufwendigen Ansätzen nur näherungsweise beschreiben (Zweiphasenströ-mung, räumliche Sekundärströmungen, Turbulenzeinfluß auf den Absetzvorgang). Die in einem Zyklonabscheider erreichbare Trennteilchengröße läßt sich aber mit einem sehr einfachen Modell schon recht gut abschätzen.

Entscheidend für die Feststoffabscheidung sind die Strömungsverhältnisse entlang der im Bild strichpunktiert angedeuteten, gedachten Zylindermantelfläche mit dem Innenradius des Tauchrohrs ri und der Länge zi.

Grob vereinfacht, läßt sich die Strömung im Bereich dieser Fläche als ebene Wirbelströmung mit der Bedingung

wu r = konstant

aus der Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt in den Zyklon berechnen. Versuche an Zyklonabscheidern haben gezeigt, dass die Beziehung

wu r m = konstant

die wirklichen Verhältnisse besser wiedergeben. Damit erhalten wir die gesuchte Umfangsgeschwindigkeit we an der Stelle r = re zu:

wui = ri ωi = we (re / r ) im

Je nach Zyklonbauart (Tangentialeinlauf wie im Bild gezeigt, Einlaufspirale oder axialer Einlauf mit Schaufelkranz), geometrischen Verhältnissen, Feststoffbeladung und Eintrittsgeschwindigkeit liegt der Wert des Exponenten

m zwischen 0,5 und 1.

Die längs der Höhe z als konstant angenommene Radialgeschwindigkeit an der Stelle iri wird aus der Kontinuitätsgleichung bestimmt: .

wri = V/ (2 π r z i i ) Die nach obiger Gleichung berechnete Umfangsgeschwindigkeit bewirkt eine entspre-chende Fliehkraft auf die Teilchen. Hier können wir auf das bei den Sedimentierzen-trifugen Berechnete zurückgreifen. Da wir vor allem an der Abscheidung möglichst feiner Teilchen interessiert sind, können wir die durch die Fliehkraft bedingte Sedi-mentation der dispersen Phase als laminar annehmen.

Die Absetzgeschwindigkeit der Teilchen an der Stelle r = ri kann deshalb mit der Winkelgeschwindigkeit ω = ωi berechnet werden. An der Stelle r = ri müssen Partikel mit der Trennteilchengröße gerade in der Schwebe bleiben.

Der Partikeldurchmesser dp = dT aus der Gl.: f

flppz

drw

ηρρω

18)(²2 −

=

berechneten Sinkgeschwindigkeit muß somit jenem der Radialgeschwindigkeit aus der Gl. (siehe schon oben!) entsprechen. Somit ergibt sich:


f

flppii

iizri

f

flppiiz

iiri

drzr

Vergibtwwmitunddr

wzr

Vwη

ρρωπη

ρρωπ 18

)(²2

::18

)(²,

2

22 −=

−= ==

&&

Diese Bedingung führt mit der Eintrittsgeschwindigkeit e

e AVw&

= , Ae = Eintrittsringquerschnitt

und mit (siehe bereits oben!): m

i

e

e

m

i

eeii

m

i

eeii r

rAV

rrwr

rrwr

2

2

22222

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=>−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

&ωω zu:

2

22

9)/()(²

e

mieflppi

ArrdVz

Vη

ρρπ −=

&& und damit zur folgenden Beziehung für die:

Trennteilchengröße mei

fpi

eT rr

VzAd )/(

)(9 2

&ρρπη−

=

6.2 Druckverlust und Zyklonauslegung Die Zyklonabscheider zur Staubabscheidung weisen leider recht hohe Druckverluste im Bereich von 1000 bis 2500 Pa auf. Die Gl. für dT legt zunächst nahe, einen Zyklon zur Erzielung einer kleinen Trennteilchengröße mit kleinem Radienverhältnis ri / re und kleinem Eintrittsquerschnitt Ae zu betreiben.

Dies ergäbe zwar sehr hohe Zentrifugalbeschleunigungen an der entscheidenden Stelle mit r = ri , würde aber auch zu entsprechend hohen Druckverlusten führen, weil das Tauchrohr dann nur noch einen kleinen Durchmesser hätte.

Am Eintritt ins Tauchrohr entsteht nämlich der Hauptdruckverlust (Größenordnung 80 bis 90 % des Gesamtdruckverlusts). Die für den Druckverlust entscheidene Größe ist deshalb die mittlere Geschwindigkeit im Tauchrohr. Auch in der Eintrittszone entstehen beachtliche Druckverluste. Für die Berechnung des Druckverlusts in einem Zyklon benötigt man deshalb Widerstandsbeiwerte für die Einlaufzone cfe und für das Tauchrohr cfi. Damit kann der Druckverlust in Analogie zur Druckverlustgleichung aus der folgenden Beziehung bestimmt werden:

2)(

2if

fefi

wccp

ρ+=∆

Die beiden Widerstandsbeiwerte können nach Barth-Muschelknautz ermittelt werden. Werte für cfe ca. 1 bis 5 und cfi ca. 10 bis 50 .

6.3 Konstruktive Ausführungen


6.4 Hydrozyklon

sehr feiner Trennschnitt (z.B. 10 - 200 µm bei Dichte 2600 kg/m3 und einem Zulaufdruck von 1,5 - 0,2 bar )

Zulauf (Trübe)

Überlauf fein + Wasser

Unterlaufdüse

Tauchrohr

grobes Material

fein + Wasser

Hydrozyklon

grob

Anwendung: Erz, Sand, Hefe, Kaolin, Kohle ..... Wirkung: Zentrifugalkraft, wobei diese mit abnehmenden Radius immer größer wird. Beschleunigungen bis über 1000g. Grobtrennung im Außenwirbel, Feintrennung im Innenwirbel. Je länger der konische Teil, desto besser die Trennung. Damit das Wasser über die Innendüse den Zyklon verlässt, muss deren Durchmesser größer sein als der Durchmesser der Auslaufdüse. Bei geeigneter Unterlaufdüse erfolgt eine Eindickung des Un-terlaufes je nach Kornfeinheit auf ca. 20 - 50% Restfeuchte (Gew %), d.h. das Gut kann direkt auf Deponie gefahren werden und entwässert dort. Baugrößen: ∅10 mm - 2 m, bei Längen von 10 cm bis 4 m Durch die hohen Geschwindigkeiten und Kräfte muss die Auskleidung abriebfest sein: Weichpanzerung (Kunststoff oder Naturgummi) Hartpanzerung (Hartmetall, Porzellan, Schmelzbasalt) VT:• geringer Raumbedarf • großer Durchsatz • trennscharf • einfache Herstellung • keine bewegten Teile • kontinuierlich • preisgünstig • freie Werkstoffwahl • Energiebedarf geringer als Zentrifugen


NT:• Eindickung nur bis zu einem gewissen Grad möglich • Energiebedarf wesentlich höher als bei anderen Klassierern • bei hoher Trennschärfe sind mehrere HZ parallel zu HZ-Batterien geschaltet • hoher Wasserverbrauch (wird durch Kreislaufführung vermindert) Sonderform: Taschenzyklon Mit durch Unterdruck selbstöffnender Unterlaufdüse. Ergibt, einen wesentlich größeren Durchsatz, bei wenig Restfeuchte, und allerdings etwas schlechterer Trennschärfe Z-Batterie

Rohr unterbrechen

∆h

Fg

Unterdruckregelung

LINATEX - Taschenzyklon


7 Filter 7.1 Grundlagen Def.: Trennen grober bis feinster, schwerabsetzender (=sedimentierbarer) Suspensionen

mit mittlerem bis kleinem Feststoffgehalt, durch poröse Filterschicht und Filterkuchen.

Einteilung nach Arbeitsweise Filterschicht Druck kont. diskont. lose- körnige- Filtertuch Über- Unter- Schicht Druck (Sandfilter) (Fritten)

Verfahren

Normalfiltration Ultrafiltration Hyperfiltration (Reversosmose)

Filterschicht porös Porenmembran Porenmembran semipermeable M.

Anwendung Suspensionen kolloide Stoffe (0,005 - 0,5 µm)

echte Lösungen (0,0002 - 0,005 µm)

Beispiele Farbstoffe Bakterien Viren

Abwasseraufbereitung Dialyse Meerwasserentsalzung

Osmose: Lösungsmittel (LM) strömt durch semipermeable Membran um Konzentration auszugleichen (osmotischer Druck)

Reversosmose: Durch zusätzlichen Überdruck tritt das LM wieder aus der Lösung aus

Semipermeable Membran

7.2 Filtermittel Anforderung: - chemisch beständig - richtige Porengröße - leicht zu reinigen Werkstoffe: - gelochte Bleche aus Metall - gewebte Metallsiebe - Textilgewebe aus Natur- und Kunstfaser (Filtertuch) - poröse Stoffe aus Metall, Kunststoff, Gummi und - Keramik (Fritten) - Papier- und Filzschichten - lockere Schüttungen aus Sand, Mehl, Koks etc. - Häute und Kapillarschläuche


7.3 Filterhilfsmittel Anforderung: - lockerer Aufbau des Filterkuchens - starke Adsorptionswirkung - keine Reaktion mit der Trübe - Dichte soll ähnlich der Trübe sein Werkstoffe: - Kieselgur und Aktivkohle (können auch schon vor Beginn der Filtration aufgebracht werden)

7.4 Berechnung Filtrierdruck: nimmt mit fortschreitender Filtrationsdauer zu, damit

Filtriergeschwindigkeit gleich bleibt.

Ab einer gewissen Zeit te hat eine Druckzunahme keinen wesentlichen Einfluss mehr auf die Filtriergeschwindigkeit und somit auf den Durchsatz. Dann ist es besser, den Filtriervorgang abzubrechen und mit einer frischen Filterschicht neu zu beginnen. Da sowohl die zunehmende Verstopfung der Poren, als auch die Dicke der Filterschicht, sowie der Druck einen Einfluss haben, ist es meist üblich, die Filtrierleistung zuerst im Labor zu erproben und dann die gemessenen Werte mit einem geeigneten Faktor in die Pra-xis umzusetzen.

7.5 Diskontinuierliche Filter Kies- oder Sandfilter Offen oder geschlossen. Verwendung oft für Trinkwasseraufbereitung (Brunnen). Rückspülung (bei größeren Feststoffmengen) händisch oder automatisch. Regelung über den Filterdruck (Parallelschaltung mehrerer Filter)

KiesSand

Filterkuchen

Rückspülung

Rückspülung Filtrat

Trübe


Ultrafilter

Filtrat

Trübe Nur sehr geringe Filtriergeschwindigkeiten möglich, daher Ausgleich durch große Filterflächen. Plattendruckfilter bzw. Filterpresse A Schnitt A - A A

F

Filtertuch

Holm

F

Filtrat

Trübe

Am häufigsten von allen Filtertypen : Druck-, Saug- und Anschwemmfilter (normal bis zu 15 bar Überdruck) Teilweises Waschen des Filterkuchens. VT: Anzahl der Filterelemente kann angepasst werden geringe Restfeuchte. automat. Feststoffaustrag möglich NT: Filtrierung nur solange möglich, bis Hohlräume ausgefüllt sind Rahmengröße: bis 1,5 x 2 m bis zu 150 Kammern

Filtertuch

Filterkerze

Schnell-Verschlus Trübe

Filtrat

Pressluft Kerzendruckfilter Filterkerzen aus Metall, Kunststoff oder Keramik. In die Bodenplatte eingeschraubt. Nach dem Auswaschen oft Lockern oder Entfernen des Feststoffes mittels Pressluft.


Scheiblerfilter Große Filterfläche bei kleinen äusseren Abmessungen. Zusammenklappbare Rahmen werden in die Filterbeutel geschoben und dann in die Suspension gehängt. Viele Rahmen nebeneinander. Tellerfilter Rückspülen wird oft durch zusätzliche Rotation der Teller unterstützt. Meist verwendet als Anschwemmfilter (z.B. als Endfilter für Bierhefe)

7.6 Kontinuierliche Filter

Feder

Bohrungen für Filtrat

Zusammenklappbarer

Filtertuch

Filtrat

VT: bessere Ausnutzung der Anlagen (größerer Durchsatz) NT: meist höhere Restfeuchte. Vakuum - Drehfilter (Trommelfilter)

Quirl

Messer

Filtertuch

Lochtrommel

Zulauf

Waschen

Trocknen

Pressluft

Steuerkopf

a) Außenzellenfilter Steuerung entweder durch Plan- oder Rundsteuerkopf. 14 - 30 Segmente, 1/3 des Durchmessers taucht in die Flüssigkeit. Abnahme durch Messer, Walzen oder Schnüre.


b) Innenzellenfilter

Austrags-schnecke

Einlauf

Messer

Segment

für Suspensionen mit groben und schweren Feststoffen.

Aufgabe

c) Planfilter sehr große Filterfläche �� hoher Durchsatz Anwendung für grobe Salze und Sande Durchmesser bis 6 m

Filtrat

Segment

Kuchen

d) Bandfilter

Filterband

Trübe

Vakuum + Vakuum+Wasch-wasser

Bandwäsche

Filtrat Absaugkasten

Kunststoff- oder Zunehmend im Einsatz, da das Band gewaschen werden kann. Mehrere verschiedene Saugkästen möglich. Benötigen mehr Platz als Drehfilter.


Druckdrehfilter Ähnlich den Vakuumdrehfiltern, jedoch komplett in einer Trommel eingeschlossen. Feststoffaustrag muss gasdicht sein. VT: höherer Filtrationsdruck größerer Durchsatz für leicht verdampfende Medien (z.B. Entparaffinierung von Öl-Propan-Gemischen) NT: aufwendiger Siebtrommel Mitnehmer

Zulauf Für einfache Filtrieraufgaben Siebbandpresse Entwässern, Filtrieren und Pressen Verwendung von Flockungsmittel. Bandwäsche.

Pressen

Vorpressen

Lochtrommel Aufgabe

Entwässerung


8 Gasreinigung Abscheiden von Feststoff- und Flüssigteilchen aus Gasen.

8.1 Gasfilter 8.1.1 Gewebefilter Werden dort eingesetzt, wo höchste Abscheidegrade (ca. 99,9%) erforderlich sind. Dabei müssen Teilchen < 0,5 µm abgeschieden werden, obwohl die Gewebeporen > 0,5 µm sind. Daraus ist ersichtlich, dass neben der Siebwirkung noch andere Kräfte beteiligt sind:

Adhäsion und elektrostatische Kräfte

Nicht für feuchte und klebrige Stäube geeignet ! Abscheidegrade: a) wieviel % des gesamten Feststoffes abgeschieden werden Gesamtabscheidegrad

b) wieviel % einer bestimmten Korngröße abgeschieden werden Fraktionsabscheidegrad

Einteilung: Standort des Gebläses Konstruktion Saug- Druck- Schlauch- Flächen- Reihen- Rund- Filter Filter Das Hauptproblem der Gasfilter besteht in der Beseitigung des abgeschiedenen Staubes (Filterkuchen) von der Filteroberfläche. Filtergewebe: 1) Naturfaser: Wolle und Baumwolle VT: hoher Abscheidegrad NT: geringe chemische- und Temperaturbeständigkeit 2) Synthesefaser: Bspl.: PE VT: bessere chemische- und Temperaturbeständigkeit NT: geringerer Abscheidegrad 3) Metallfaser, Glasfaser, Steinwolle VT: höchste Temperaturbeständigkeit (bis über 1000 °C)


Tuch-, Gewebe- Filter: Materialaufbau: Abreinigungsvorgang:

a) Saugschlauchfilter Wird meist in Zellenbauweise betrieben, damit kontinuierlicher Betrieb gewährleistet ist. Die Reinigung erfolgt durch das Abklopfen des Rahmens, an dem die Filterschläuche befestigt sind.


b) Pulsair-Filter Die Filterschläuche sind über Metallkäfige gezogen. Abscheidung an der Außenfläche. Das Reinigen erfolgt durch kurz dauernde Druckstöße während des Betriebes (0,01 - 0,25 sec.) kontinuierlicher Betrieb.

Rüttelvorrichtung

Rohgas

Reingas

Filterschläuche

Austragsschnecke

wird gerade abgeklopft

Zellrad Staubluft

Reinluft Druckluft

Reingas

Rohgas Staub

SAUGSCHLAUCHFILTER PULSAIRFILTER

Betriebsarten: „Offline“ - Betrieb: „Online“ - Betrieb: 8.1.2 Elektrofilter Staub- und Nebelteilchen werden beim Durchströmen eines Hochspannungsfeldes elektrostatisch aufgeladen. Die Aufladung erfolgt durch Sprüh- oder Corona-Entladung von negativ geladenen Sprühelektroden (dünne Drähte von 2 - 4 mm oder scharfkantige Streifen) bei 10 000 bis 80 000 Volt Gleichstrom. Abscheidung an positiv geladener Wand. Es gibt Nass- und Trocken- Elektrofilter. Reingas

Rohgas 6 - 80 Gassen w: 0,5 - 3 m/s

∆p: 10 - 130 Pa V. < 106 m³/h

_

200 -

+


8.2 Abscheider Nutzung der Massenträgheitskräfte zum Abscheiden von festen und flüssigen Teilchen. 8.2.1 Trockenabscheider Kammerabscheider

w

w

h

l Die Luftgeschwindigkeit wird verzögert auf ca. 0,1 bis 1 m/s . Abscheidegrad: 0,4 bis 0,6 VT: billig NT: großer Raumbedarf niedriger Abscheidegrad Prallabscheider Für das Vorabscheiden gröberen Staubs und großer Feststoffmengen. Die Abscheidung erfolgt durch scharfe Richtungsänderung des Gasstromes, den die Staubteilchen nicht mitmachen können (Trägheit der Masse!) w: 2 bis 20 m/s Abscheidegrad: 0,4 bis 0,6 Anwendung z.B.: pneumat. Förderung. 8.2.2 Nassabscheider Verlagerung des Problems der Gasreinigung auf die Wasserreinigung. Wird dort angewendet, wo z.B. hoher Feuchtigkeitsgehalt den Einsatz von Tuchfiltern unmöglich macht, bzw. wo gleichzeitig auch absorbiert wird.. Abscheidegrad bis 99,9 % Grenzkorn: 0,1 µm bis 1 µm Prinzipien und Bauarten


Strahlwäscher und Venturiwäscher Strahl-W.: Flüssigkeit saugt Gas an Venturi-W.: Gas saugt Flüssigkeit an Sind im Prinzip große Strahlpumpen. Geeignet für Feststoff und Flüssigkeitsabscheidung Die Abscheidung der verunreinigten Flüssigkeit aus dem Gasstrom erfolgt entweder durch Umlenkung oder durch nachgeschaltete Zyklone (z.B. bei der Gichtgaswäsche) VT: sehr gute Abscheidung (bis 99,9%) NT: hoher Energieaufwand


Rotationszerstäuber

Reingas

Saugzug-Ventilator

Rotor

Lagerung

Rippen Waschflgkt.

Rohgas

Der Gasstrom kann den Wassertröpfchen ausweichen, die Feststoffteilchen sind zu träge dafür und bleiben an den Tröpfchen haften. Der Antrieb des Rotors erfolgt nur durch Rückstoss allein. Achtung auf die richtige Tröpfchengröße. (Eventuell Tröpfchenabscheider nachschalten) niedriger Druckverlust: ca. 100 mm WS Beispiel: Gesucht ist theor. Leistung des

Gebläses bei V. = 50 m3/s?

8.2.3 Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen Lamellenabscheider Peerless-Abscheider: speziell zur Wasserabscheidung in Erdgasleitungen Fangrinne Akustische Abscheider Unter Schalleinwirkung koagulieren feine Teilchen in den Schwingungsknoten. Anschließendes Abscheiden in Zyklonen. Das Beschallen erfolgt durch Hochfrequenzsirenen in isolierten Schalltürmen. z.B. Abscheidung von H2SO4-Nebel, Alkalisalzstaub NT: hoher Energieaufwand, Schallisolierung Gestrickabscheider (Gestrick = Geflecht) „Demister“ Die eigentliche Abscheidung erfolgt durch Umlenkung in einem Drahtgeflecht. Vorabscheidung schon durch einfache Umlenkung. Anwendung der Gestrickabscheider bei Nebeln, vor Trocknern, vor und nach Kompressoren, bei hochreinen Produkten, nach Destillationskolonnen, nach Absorptionstürmen, etc.


a) liegend b) stehend

max

min

150

Reingas

Demister

L ≈ 3 x φD

Gasgeschw. 2 - 5 m/s

100 – 150 mm

Halbschale

Rohgas

min 300

Abscheidegrad: 70 % ohne Demister 99,97 % mit Demister für Tröpfchen mit 3 - 5 µm

9 Auswahl mechanischer Trenneinrichtungen

Mechanisches Trennen - teaching.eduhi.atteaching.eduhi.at/lehnerj/APA/Mechan Trennen.pdf · APA –...

Documents

Transcript of Mechanisches Trennen - teaching.eduhi.atteaching.eduhi.at/lehnerj/APA/Mechan Trennen.pdf · APA –...