EP0322516A2 - Vollmantelzentrifuge - Google Patents

Abstract

Bei einer Vollmantelzentrifuge, insbesondere zur Trennung von schwer trennbaren Medien unterschiedlicher Dichte bzw. deren Gemische und/oder Suspensionen in eine vergleichsweise leichtere und wenigstens eine schwerere Phase, mit einer auf einer Welle drehbar gelagerten und einen Klärteich in sich ausbildenden Trommel sowie mit Organen zum Eintragen der zu trennenden Medien und zum Austragen der getrennten Phasen, wird vorgeschlagen, daß das Austragsorgan (8) für die leichtere Phase (14) zu einem Überlauf (8a) an einer Trommelstirnwand (16) geführt und das Austragsorgan (9) für die schwerere Phase (13) vom tiefsten Bereich (17) des Klärteichs (3) ausgehend mit einer Fördereinrichtung (18) ausgebildet und in den austragsseitigen Teil der Hohlwelle (43b) des Verdrängungskörpers (6) ausmündend angeordnet ist. Dabei kann die Fördereinrichtung (18) als Druckluftflüssigkeitsheber (37) ausgebildet sein.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vollamentelzentrifu­ge, insbesondere zur Trennung von schwer trenn­baren Medien unterschiedlicher Dichte bzw. deren Gemische und/oder Suspensionen in eine vergleichsweise leichtere und wenigstens eine schwerere Phase, mit einer auf einer Welle drehbar gelagerten und einen zylindrischen Klärteich in sich ausbildenden Trommel sowie mit Organen zum Eintragen der zu trennenden Medien und zum Austragen der getrennten Phasen.
• Es sind Zentrifugen dieser Art z. B. aus der DE-OS 33 17 047 bekannt, bei denen entlang des Klärteichs im Abstand zur Innenwand der Trommel ein mit einer Hohlwelle rotierbar gelagerter und sich in Richtung der Rotationsachse er­streckender Verdrängungskörper angeordnet, und die Zentrifuge mit Mitteln zum Betrieb im Gleichstrom ausgebildet ist, wobei das Ein­tragsorgan für das zu trennende Medium am Zu­flußbereich des Klärteichs und die Austragsor­gane für die getrennten Phasen von dessen Ab­laufbereich ausgehend angeordnet sind.
• Obwohl der den Zentrifugen zuzuordnende techni­sche Sektor ein seit Jahrzehnten ausgereiftes Fachgebiet darstellt, werden beispielsweise durch zunehmende Erschließung der Mikrobiologie für die Aufbereitung von Abwasser und/oder Gülle ständig steigende Anforderungen an die Trennfähigkeit von Zentrifugen gestellt, da der hierbei anfallende gelartige Schlamm sedimenta­tionsunwillig ist und somit bei der Phasentren­nung große Schwierigkeiten bereitet.
• Zur Entwässerung derartiger überwiegend visko­ser Schlämme sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt geworden, die jedoch das Problem bisher nicht befriedigend lösen konnten.
• Beispielsweise schlägt das deutsche Gebrauchs­muster 84 60 004.7 eine Überlauf-Separations­zentrifuge zur Trennbehandlung von Schlamm mit einem in die Trommel ragenden und am freien Ende eine Schältülle aufweisenden Flüssigkeits­austragsrohr vor, wobei die Schältülle zum Abschöpfen einer Phase in unterschiedlicher Tiefe des Sedimentationsteiches einstellbar ist.
• Eine derartige Einrichtung ist sehr schwierig in der Bedienung und zudem störanfällig.
• Eine andere bekannte Zentrifuge gemäß DE-OS 26 51 657 weist einen Klarflüssigkeitsüberlauf an einer Stelle zwischen Einlauf und Feststoff­austrag auf, wobei das Überlauforgan aus mehre­ren radial von außen nach innen in den Klärraum hineinragenden Röhrchen besteht. Die Stauhöhe ist dadurch einstellbar, daß man die Röhrchen mehr oder weniger weit in den Klärraum hinein­ragen läßt.
• Nachteilig geht bei dieser Bauweise mit der peripher ausgetragenen Klärphase Energie ver­loren und erzeugt die herausgeschleuderte Flüs­sigkeit eine sehr unerwünschte Schaumbildung, zu deren Bekämpfung fallweise schaumdämpfende Mittel eingesetzt werden, welche Kosten verur­sachen und zudem die Klarphase verunreinigen.
• Auch diese bekannte Vorrichtung kann bei der Lösung der vorliegenden Problematik nicht be­friedigen.
• Hierfür wurde gemäß DE-OS 33 17 047 eine Voll­mantel-Schneckenzentrifuge von zylindrischer Bauart zur Trennung von schwer trennbaren Sus­pensionen vorgeschlagen, die am Ende des Trenn­raumes eine Trennscheibe und vor der Trenn­scheibe angeordnete Klarphasenkanäle und hinter der Trennscheibe Sedimentkanäle aufweist. Beide Austräge führen im Bereich des Zentrums der Zentrifugentrommel aus dieser heraus. Eine Meß­zelle zur Ermittlung des Trockensubstanzgehal­tes ist im Sedimentaustrag angeordnet und steuert ein Mengenregelorgan in der Klarphase­austragsleitung nach Maßgabe von konstantem Feststoffgehalt im Sediment.
• Die bekannte Vorrichtung bedingt eine Zuführung der Suspension mit Druck zwischen 0,4 bis 0,6 MPa und somit eine Abdichtung der Lagerungen.
• Solche Dichtungen sind sehr aufwendig in ihrer Bauart; sie sind aber auch wartungsempfindlich, sehr verschleißanfällig und damit störanfällig. Auch diese bekannte Zentrifuge kann daher tech­nisch nicht befriedigen.
• Ausgehend vom genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Zentrifuge der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Phasen­ trennung schwer trennbarer z. B. Klärwerk­schlämme unter weitgehender Vermeidung von Energieverlusten und ohne komplizierte Bauart der Zentrifuge sowie unter Vermeidung von Über­druckbetrieb und mit einer einfachen Steuerung der Feststoffgehalte in unterschiedlich fest­stoffhaltigen Phasen ermöglicht wird, und welche mit möglichst geringem Aufwand an Her­stellungs-, Montage- und Wartungskosten er­stellbar und mit ökonomischem Energieaufwand betreibbar ist.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einer Vollmantelzentrifuge der eingangs genann­ten Art mit der Erfindung durch eine Ausgestal­tung entsprechend den Merkmalen des Hauptan­spruches.
• Mit großem Vorteil wird durch das synergisti­sche Zusammenwirken dieser Merkmale erreicht, daß beim Gleichstrombetrieb eine exakte Führung der zu trennenden Suspension im Hinblick auf maximale Trennschärfe erreicht wird. Durch Anordnung des Verdrängungskörpers wird er­reicht, daß im Sedimentationsbereich eine dem Durchmesser des Verdrängungskörpers entspre­chend große Oberfläche des Klärteichs erhalten bleibt, wogegen der Eintrags- sowie der Aus­tragsbereich der Medien dem Rotationszentrum vergleichsweise nahe zugeordnet ist. Somit wird Antriebsenergie gespart und ein energetisch günstiger Betrieb gewährleistet.
• Die Anordnung eines Förderorganes im Austrags­organ für die Sedimentationsphase erfordert keinen Druckbetrieb, sie vermeidet daher Dich­tungen und deren Wartungsprobleme und sie ist vom Standpunkt des erforderlichen Energieauf­wandes sehr ökonomisch.
• Eine Ausgestaltung sieht vor, daß die Förder­einrichtung als Druckluftflüssigkeitsheber nach dem Prinzip der sogenannten Mammutpumpe ausge­bildet und an eine durch die Hohlwelle in das Innere der Trommel geführte Druckluftleitung angeschlossen ist.
• Der Druckluftflüssigkeitsheber besitzt mit Vor­teil eine sehr einfache Ausführungsform, erfor­dert keine bewegten Teile, ist unkompliziert, effektiv in der Förderwirkung und insbesonders hinsichtlich der Förderleistung in vorgegebenen Grenzen steuerbar.
• Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Zentri­fuge sind entsprechend den Merkmalen der An­sprüche 4 bis 9 vorgesehen. Die Erfindung wird in schematischen Zeichnungen in einer bevorzug­ten Ausführungsform gezeigt.
• Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:
• Fig. 1 eine Vollmantelzentrifuge in rein schemati­scher Darstellung und im Schnitt entlang einer vertikalen, durch die Rotationsachse verlaufenden Ebene,
• Fig. 2 einen Funktionsstammbaum einer Schlammein­dickanlage mit der Vollmantelzentrifuge nach Fig. 1.
• Fig. 1 zeigt die Vollmantelzentrifuge (40) mit einer auf Hohlwellen (41a, 41b) beidseitig in den Lager­böcken (42a, 42b) gelagerten Trommel (2). Im Innern der Trommel (2) befindet sich, in den Klärteich (3) eintauchend, ein hohler Verdrängungskörper (6). Dieser ist ebenfalls beidseitig auf den Hohlwellen (43a) bzw. (43b) in den Lagerböcken (42a) und (42b) drehbar gelagert. Durch die Hohlwelle (43a) wird der Zentrifuge (40) Suspension, angedeutet durch den Pfeil (44), zugeführt. Die Suspension (44) tritt durch die Öffnungen (45) in der Hohlwelle (43) aus und gelangt in das Innere der Trommel (2) und bildet dort im Betrieb den Klärteich (3) aus.
• Die Hohlwelle (41a) der Trommel (2) weist zum Antrieb eine Keilriemenscheibe (26) und die Hohlwelle (43a) des Verdrängungskörpers eine Keilriemenscheibe (25) auf. Diese bilden gemäß Fig. 2 im Zusammenwirken mit dem Keilriemenpulli (27) des Antriebsmotors (28) einen Differential-Keilriementrieb (24) für die Zen­trifuge (40).
• Der Mantel (1) der Trommel (2) ist in Durchflußrich­tung des Klärteiches (3) vorzugsweise mit einer koni­schen Erweiterung (4) ausgebildet. Hierdurch wird der gemäß Fig. 1 auf der linken Seite durch die Öffnungen (45) eintretenden Suspension im künstlichen Schwere­feld eine Beschleunigungskomponente für die Inhalts­teilchen der schwereren Phase in Durchflußrichtung (10) erteilt. Die Teilchen haben ersichtlicher­weise das Bestreben, im Klärteich (3) zum Bereich des größten Trommeldurchmessers nach rechts zu wandern und dabei zu sedimentieren. Die Zentrifuge (40) arbeitet im Gleichstrom unter Einhaltung optimaler Trennschärfebedin­gungen, wobei der Verdrängungskörper (6), als glatter Kegelstumpf ausgebildet, an keiner Stelle des Klärteiches (3) störende Wirbel oder ein Gegenströmungsfeld verursacht.
• Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist das Austragsorgan (8) für die leichte Phase (14) zu einem Über­lauf (8a) an der Trommelstirnwand (16) geführt und das Austragsorgan (9) für die schwerere Phase (13) vom tiefsten Bereich (17) des Klär­teichs (3) ausgehend mit einer Fördereinrich­tung (18) ausgebildet und in die Hohlwelle (43b) ausmündend angeordnet.
• Diese Fördereinrichtung (18) ist als Druckluft­flüssigkeitsheber (37a, 37b) ausgebildet und an eine durch die Hohlwelle (43b) in das Innere der Trommel (2) geführte Druckluftleitung (19) angeschlossen. Die Anordnung ist überraschend einfach, zugleich funktionell zuverlässig und energetisch ökonomisch.
• Vorteilhaft ist die konische Erweiterung (4) des Mantels (1) der Trommel (2) mit einem Öff­nungswinkel ( α 1) zwischen 1° und 8°, vor­zugsweise zwischen 3° und 5° und der Ver­ drängungskörper (6) mit einem rotationssymme­trischen Mantel (20) in Form eines Kegel­stumpfes mit einem Öffnungswinkel ( α 2) ausge­bildet, der im wesentlichen dem Öffnungswinkel ( α 1) des Trommelmantels (1) entspricht.
• Hierdurch ergibt sich im Bereich des Verdrän­gungskörpers (6) ein Klärteich (3) mit ver­gleichsweise großer Oberfläche, woraus Sedimen­tationsbedingungen mit optimalen Parametern resultieren.
• Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Zentrifuge sieht weiter vor, daß der Verdrängungskörper (6) Räumorgane (21) aufweist.
• Es ist bekannt, daß es bei einer Vollmantelzen­trifuge an der Innenwandung (5) des Mantels (1) zu Feststoffablagerungen kommen kann, die das Fließvermögen der schwereren Phase (13) in Richtung (10) zum tiefsten Bereich (17) des Klärteiches (3) erschweren oder verhindern. Derartige Ansatzbildungen entstehen vorzugswei­se bei der Entwässerung von zähflüssigen, pastösen Schlämmen, insbesondere Klärwerks­schlämmen.
• Die Räumorgane (21) sind bei der beispielhaft gezeigten Ausführung zwei gegenüberliegend auf dem Mantel (20) senkrecht stehende Räumleisten. Durch diese werden die bei der Trennung des Feststoff-Flüssigkeitsgemisches anfallenden Feststoffe im Bereich der inneren Trommelwan­dung (5) in Bewegung gehalten, so daß sie sich nicht festsetzen können.
• Dabei kann jedes Räumorgan (21a, 21b) als Wen­del mit sehr großer Steigung mit einem Stei­gungswinkel (β) gegenüber der Rotationsachse (x-x) des Systems zwischen 0 und 10°, vor­zugsweise zwischen 3 und 5° ausgebildet sein. Durch diese Maßnahme wird der Transport der Feststoffe in der Zentrifugentrommel (2) zum Feststoffaustragsende (15) hin unterstützt und vergleichmäßigt.
• Mit Vorteil erfordert die geringe Rotationsge­schwindigkeitsdifferenz zwischen dem Veredrän­gungskörper (6) mit Räumorganen (21a, 21b) gegenüber der Trommel (2) im Gegensatz zum Feststofftransport durch eine Schnickenwendel nur einen vernachlässigbar kleinen Teil an Antriebsenergie.
• Deshalb kann dieser Antrieb sehr einfach, vor­zugsweise als Keilriementrieb ausgebildet sein.
• Im System dieses Keilriementriebes (24) weist die Hohlwelle (43a) des Verdrängungskörpers (6) eine erste Keilriemenscheibe (25) und die hohle Antriebswelle (41a) der Trommel (2) eine zweite Keilriemenscheibe (26) auf. Diese ergeben in Zusammenwirken mit dem Keilriemenpulli (27) des gemeinsamen Antriebsmotors (28) bei entspre­chender Bemessung eine vorgesehene Rotations­Differenzgeschwindigkeit zwischen Trommel (2) und Verdrängungskörper (6) - Fig. 2.
• Eine weitere Verminderung der erforderlichen Antriebsleistung für das System der Zentrifuge (40) kann auch noch dadurch erreicht werden, daß im Innern der Trommel (2) Strömungsleitor­gane (51, 52) beispielsweise in Form von ge­krümmten Schaufeln nach Art eines Radialpumpen bzw. -turbinenlaufrades angeordnet sind, durch welche kinetische Energie in potentielle Ener­gie umgewandelt wird, und umgekehrt. Diese an sich bekannte Anordnung verbessert den wirt­schaftlichen Betrieb der Zentrifuge.
• Wie aus dem Verfahrensschaubild einer Eindik­kungsanlage nach Fig. 2 mit einer Vollmantel­zentrifuge (40) zu ersehen ist, kann dem Aus­trag (31) der schwereren Phase (13) eine Meß­einrichtung (29) zur Ermittlung des Feststoff­gehaltes zugeordnet und über eine Signalleitung (30) sowie eine Rechnereinheit (35) und eine Steuerleitung (36) einem Mengenregelorgan (32a, 32b) in der Druckluftleitung (19) des Druck­luftflüssigkeitshebers (37) zugeordnet sein, welche über die Steuerleitung (36) dem Stellor­gan (32a) des Druckluftmengenreglers (32b) auf­geschaltet ist. Die Drucklufterzeugungsanlage besitst eine Druckluftpumpe (38) mit Motor (38a). Über die Regeleinrichtung (29, 35, 32) wird die Austragsmenge der feststoffreichen Phase (13) nach Maßgabe einer vorgegebenen För­dercharakteristik des Druckluftflüssigkeitshe­bers (37) so beeinflußt, daß deren Feststoffge­halt konstant bleibt.
• Auf der Seite der zuzuführenden Suspension (44) ist dem Eintragsorgan (43a, 45) ein Grobstoff­abscheider (34) vorgeschaltet.
• Dieser weist zweckmäßig zwei Einheiten (33a, 33b) in Tandemanordnung auf. Die Suspension (44) wird beispielsweise aus einem Vorratsbe­hälter (39) mit der Leitung (48) durch die För­derpumpe (49) und eine umschaltbare Ventil­batterie (50a, 50b) abwechselnd durch Filter (33a) oder Filter (33b) in die Zentrifuge (40) eingespeist. Dabei ermöglicht die Tandemanord­nung einen wechselseitigen Betrieb, wobei jeweils das nicht in Betrieb befindliche Filter ohne Betriebsunterbrechung gereinigt und dann wieder in den Zulauf eingeschaltet werden kann.

Claims (9)

1. Vollmantelzentrifuge, insbesondere zur Trennung von schwer trennbaren Medien unterschiedlicher Dichte bzw. deren Gemi­sche und/oder Suspensionen in eine ver­gleichsweise leichtere und wenigstens eine schwerere Phase, mit einer auf einer Welle drehbar gelagerten und einen zylindrischen Klärteich in sich ausbildenden Trommel so­wie mit Organen zum Eintragen der zu tren­nenden Medien und zum Austragen der ge­trennten Phasen, wobei entlang des Klär­teichs im Abstand zur Innenwand der Trommel ein mit einer Hohlwelle rotierbar gelager­ter und sich in Richtung der Rotationsachse erstreckender Verdrängungskörper angeord­net, und die Zentrifuge mit Mitteln zum Betrieb im Gleichstrom ausgebildet ist, wobei das Eintragsorgan für das zu tren­nende Medium am Zuflußbereich des Klär­teichs und die Austragsorgane für die getrennten Phasen von dessen Ablaufbereich ausgehend angeordnet sind, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Austragsorgan (8) für die leichtere Phase (14) zu einem Überlauf (8a) an einer Trommelstirnwand (16) geführt und das Austragsorgan (9) für die schwerere Phase (13) vom tiefsten Bereich (17) des Klärteichs (3) ausgehend mit einer Förder­einrichtung (18) ausgebildet und in den austragsseitigen Teil der Hohlwelle (43b) des Verdrängungskörpers (6) ausmündend an­geordnet ist.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Mantel (1) der Trommel (2) in Durchflußrichtung (10) des Klärtei­ches (3) mit einer konischen Erweiterung (4) ausgebildet ist.

3. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Fördereinrichtung (18) für die Austragsorgane (9) der schwereren Phase (13) als Druckluftflüssigkeitsheber (37) nach dem Prinzip der sogenannten Mammutpumpe ausgebildet und an eine durch die Hohlwelle (43b) in das Innere der Trom­mel (2) geführte Druckluftleitung (19) an­geschlossen ist.

4. Zentrifuge nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durckluft­leitung (19) durch den austragsseitigen Teil der Hohlwelle (43b) und mit Verzwei­gungen entlang den Austragsorganen (9) der schwereren Phase (13) in den eintrittssei­tigen Bereich der Druckluftflüssigkeitshe­ber (37a, 37b) einmündend geführt ist.

5. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Erweiterung (4) des Mantels (1) der Trommel (2) einen Öffnungswinkel ( α 1) zwischen 1° und 8°, vorzugsweise zwischen 3° und 5° aufweist und der Verdrängungskör­per (6) mit einem rotationssymmetrischen Mantel (20) in Form eines Kegelstumpfes mit einem Öffnungswinkel ( α 2) ausgebildet ist, der dem Öffnungswinkel ( α 1) des Trommelmantels (1) entspricht.

6. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (20) des Verdrängungskörpers (6) zum Transport der schwereren Phase (13) Räumor­gane (21) aufweist, und diese vorzugsweise als Wendeln mit sehr großer Steigung eines Steigungswinkels (β) gegenüber der Rota­tionsachse (x-x) des Systems zwischen 0° und 10°, bevorzugt zwischen 3° und 5° ausgebildet sind.

7. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trommel (2) und der Verdrän­gungskörper (6) über einen mit diesen zu­sammenwirkenden Antrieb (24) mit Differen­tialgetriebe antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetrie­be als Keilriementrieb ausgebildet ist und die Keilriemenscheiben (25 bzw. 26, 27) so bemessen sind, daß die Trommel (2) relativ zum Verdrängungskörper (6) mit einer Diffe­renzgeschwindigkeit angetrieben wird.

8. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Austrag (31) der schwereren Phase (13) eine Meßein­richtung (29) zur Ermittlung des Feststoff­gehaltes zugeordnet und über eine Signal­leitung (30) einem Mengenregelorgan (32) in der Druckluftleitung (19) des Druckluft­flüssigkeitshebers (37) aufgeschaltet ist.

9. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ein­tragsorgan (43a, 45) für das zu trennende Medium (44) ein Grobstoffabscheider (34) vorgeschaltet ist.

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