3.2 Klassifizierung der Zentrifugen
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Technische Chemie II Vorlesung Zentrifugation Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 2 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 3 Einführung Zentrifugation (Zentrifugal- oder "Fliehkraftabscheidung) ist das Trennen der Phasen eines dispersen Systems mit Hilfe der Zentrifugal- oder Fliehkraft. Im Zentrifugalfeld lassen sich somit Trennprozesse erheblich effizienter und schneller gestalten Abscheidekräfte um ein Vielfaches größer als im (Erd-) Schwerefeld Einsatzbereich der Zentrifugen: die Trennung von Suspensionen und Emulsionen 4 Physikalische Grundlagen Ein Partikel mit der Masse m bewegt sich mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit u auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um den Mittelpunkt Z. u Z m r Beschleunigung aZ Richtung des Zentrums ist: a Z ² r mit aZ ω u r n u² 2 n² r r (1-1) = Zentrifugalbeschleunigung [m/s²] = Winkelgeschwindigkeit [1/s] = Umfangsgeschwindigkeit [m/s] = Radius [m] = Drehzahl der Zentrifugation [1/s] 5 Physikalische Grundlagen Das Kräftegleichgewicht im Zentrifugalfeld ist vergleichbar mit dem im Schwerefeld. Bewegt sich ein Partikel oder ein Flüssigkeitselement mit der Masse m und der Umfangsgeschwindigkeit u auf einem Radius r , so wirkt an ihm neben der Gewichtskraft Fg die Zentrifugalkraft FZ (meist ein Vielfaches von Fg). Gewichtskraft Fg m g Zentrifugalkraft u2 FZ m m aZ r (1-3) Vergleich zwischen Sedimentation und Zentrifugation Verhältnis von Zentrifugalbeschleunigung aZ zur Erdbeschleunigung g. FZ 2 r u2 a Z 2 n r Z Fg g r g g g 2 mit g (1-4) = Erdbeschleunigung [9,81 m/s] Z = ist der Beschleunigungsfaktor bzw. Schleuderziffer (~zahl) Maß für die Trennwirkung einer Zentrifuge. 6 Physikalische Grundlagen Die Absetzgeschwindigkeit vZ im Zentrifugalfeld ist daher um das Z-fache größer als die “statische” Sedimentationsgeschwindigkeit v0. vZ v0 Z (1-5) Die erforderliche Trennfläche AZ ist bei gleichem Durchsatz um das Z-fache kleiner als die Trennfläche AS bei der Schwerkraftsedimentation. A V V AZ S vz v0 Z Z (1-6) Trennpartikelgröße dP bei der Zentrifugation (im laminaren Bereich - Stoke‘schen Bereich): dP 18 v Z g Z (1-7) 7 Physikalische Grundlagen Erzeugung des Zentrifugalfeldes: Das disperse System wird einem rotationssymmetrischen Gehäuse unter Überdruck so zugeführt, dass eine Wirbelströmung entsteht (nur die Suspension rotiert; das Gehäuse steht still). Diese Art der Fliehkrafterzeugung wird im Zyklon realisiert. Das disperse System liegt im Flüssigkeitsring an der Wand einer rasch rotierenden Trommel (Drehrohr). Die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeitsring und Wand ist Null. Verwirklicht wird dieses Prinzip durch die Zentrifuge. 8 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 9 Zyklone geklärte Flüssigkeit (Zentrifugat) Aufbau: • zylindrischer Teil mit Eintrittsstutzen • Tauchrohr Tauchrohr • konischer, schlanker Teil tangentialer Zustrom der Suspension Funktionsweise: • Drehströmung durch tangentiale Zuführung der Suspension (Suspension) sedimentierte Feststoffpartikel • Suspension wird mit Pumpe durch den Zyklon gedrückt Umwandlung hydrostatischer Energie in Geschwindigkeitsenergie • Partikeln werden zentrifugal beschleunigt • Sedimentaustrag im Unterlauf Sediment • geklärtes Fluid durch Tauchrohr in Überlauf 10 Zyklone 11 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 12 Zentrifugen Zentrifugen sind Trennapparate, die durch einen Rotor gekennzeichnet sind. Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen Die abzutrennenden Partikeln bewegen sich mit nahezu gleicher Winkelgeschwindigkeit , wie der Zylinder bzw. Rotor. Zentrifugalbeschleunigung wächst mir Radius r (Maximum an der Trommelwand bei Radius r0) Bewegung des Partikels ist charakterisiert durch Reynolds-Zahl ReZ F v Z dP (3-1) Vorgaben: • Relativgeschwindigkeit vZ des Partikels gegenüber Fluid gering • Partikeldurchmesser klein Bewegung nach Stokes-Gesetz: vZ P F 2 2 2 dP r0 2 .dP a Z dP2 r0 2 n 18 18 18 mit (3-2) r0 = Radius der Trommel [m] 13 Auslegung von Zentrifugen Absetzgeschwindigkeit ist abhängig vom Radius r in erster Näherung: mittlerer Radius r r0 ri m 2 mit Fg FZ FR L mit ri = Innenradius des Flüssigkeitsrings [m] r0 = Radius der Trommel [m] = Gewichtskraft = Zentrifugalkraft = Resultierende = Trommellänge (a) Rotationsparaboloid des Fluids bei geringer Trommeldrehzahl L Fg (b) Flüssigkeitsverteilung bei voller Trommeldrehzahl Bestimmung der Klärfläche AZ A Z 2 L rm (3-3) 14 Auslegung von Zentrifugen Bestimmung der Absetzzeit tZ r r tZ 0 i vZ tZ in Gleichung 3-2 r0 ri 18 dP2 rm 2 (3-4) Berechnung Zentrifugendurchsatz mit Annahme: Absetzzeit = Verweilzeit V V Z tZ 2 V d P V Z rm 2 r0 ri 18 und (3-5) mit VZ= Flüssigkeitsvolumen der Zentrifuge [m³] Erweiterung mit Erdbeschleunigung g V VZ dP2 g rm 2 r0 ri 18 g AZ v0 A v Z V Z 0 (3-6) Z (3-7) 15 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1 Bauformen von Separatoren 3.2.2 Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3 Filtrationszentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 16 Klassifizierung von Zentrifugen Zentrales Trennorgan einer Zentrifuge ist eine rotierende Trommel. Einteilung nach Bauart: Sedimentationszentrifugen mit Vollmanteltrommel Trennprinzip: Sedimentation (Separatoren, Dekanter) schwere Phase sammelt sich im Zentrifugenmantel Sieb- oder Filtrationszentrifugen mit Lochtrommel Trennprinzip: Feststoff wird durch Siebtrommel zurückgehalten (ähnelt der Filtration) Flüssigkeit wird durch Siebtrommel vom Feststoff getrennt 17 Klassifizierung von Zentrifugen Unterscheidung von Zentrifugen nach Lage der Drehachse Trommelaufbau Art der Wellen- bzw. Trommellagerung Feststoffaustrag Arbeitsweise horizontal zylindrisch fliegend Schnecke diskontinuierlich vertikal konisch beidseitig gelagert Schubladen kontinuierlich Austrag mit Trägheitskräften Schälmesser Schwerkraftentleerung hydraulischer und pneumatischer Austrag Handentleerung 18 Klassifizierung von Zentrifugen diskontinuierlich Einteilung nach Betriebsweise: kontinuierlich kontinuierlich diskontinuierlich Suspension Zentrifugat Sediment Bauformen von Separatoren: Röhrentrommel Kammertrommel Tellertrommel 19 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1 Bauformen von Separatoren 3.2.2 Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3 Filtrationszentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 20 Separatoren Funktionsweise: Kammertrommel Flüssigkeit strömt von innen nach außen Klärung findet in der dünnen, axial strömenden zylindrischen Schicht statt Schichtdicke lässt von Kammer zu Kammer nach (von innen nach außen) effektiver Absatzweg verringert (von innen nach außen) das wirkende Zentrifugalfeld steigt an größere Partikeln werden in innen liegenden Kammern / kleinere Partikeln in äußeren Kammern abgeschieden Klassierwirkung in einer Kammertrommel Vorteile: Nachteile: gleichbleibend guter Kläreffekt nur diskontinuierlicher Betrieb nicht einsetzbar zur Trennung von (bis Kammern mit Feststoff gefüllt) großes Feststoffvolumen Flüssigkeitsgemischen manuelle Reinigung erforderlich (Ausbau der einzelnen Kammern) 21 Separatoren wirtschaftlich optimale Lösung zur Erlangung maximaler äquivalenter Trennflächen Einbau konischer Teller Tellerseparator (Vielzahl parallel geschalteten Einzelseparierungsräume zwischen Tellern) Unterscheidung nach Funktion: Aufbau: Abstand der Teller variiert je nach Konsistenz der Flüssigkeit und Feststoffart (zwischen 0,25 bis 2 mm) Flüssigkeitsstrom wird in viele dünne Schichten zerlegt Minimierung des Absetzweges Vorteile: guter Trenneffekt Selbstreinigung der Teller (richtige Klärer Trenner Auslegung des Tellerwinkels und Tellerabstands) universelle Einsatzmöglichkeiten 22 Separatoren kontinuierlich (selbstentleerend) Unterscheidung nach Betriebsweise: diskontinuierlich Tellerseparator • Begrenzung des Schleuderraums durch zylindrischen Trommelmantel • Vergrößerung der äquivalenten Klärfläche (d.h. die Höhe H des Tellerpaketes) nicht beliebig • aus Gründen der Balance (Verhältnis von Trommelhöhe zum Trommeldurchmesser < 1) • Schleuderraumwände sind doppelt konisch • Festlegung des größten Durchmessers Da (nach maximaler Werkstoffbelastung) • Festlegung der Tellerwinkel und Winkel der Schleuderraumwände größter konstruktiver Telleraußendurchmesser und maximale Höhe H des Tellereinsatzes ergeben sich 23 Separatoren Quelle: Flottweg GmbH 24 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1 Bauformen von Separatoren 3.2.2 Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3 Filtrationszentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 25 Dekanter Der Dekanter ist eine horizontal gelagerte Schneckenzentrifuge mit zylindrisch-konischer Vollmanteltrommel. Baugruppen eines Dekanters: • Gehäuse • Einlaufrohr • Antriebseinheit • Trommel • Schnecke • Ablaufsystem für die geklärte Flüssigkeit / Feststoffe Funktionsweise: Die mit einer etwas größeren Drehzahl als die Trommel drehende Schnecke fördert den ausgeschleuderten Feststoff kontinuierlich zum Austrag. Unterscheidung nach Betriebsweise: Gleichstromdekanter beide Phasen (Feststoff und Flüssigkeit) bewegen sich in der Trommel gleichsinnig Gegenstromdekanter die geklärte Flüssigkeit läuft dem abgeschleuderten Feststoff entgegen 26 Dekanter nS > nT Skizze: Gegenstromdekanter 27 Dekanter Quelle: Flottweg GmbH 28 Dekanter 3-Phasen-Dekanter Funktionsweise: Feststoffe setzen sich an der Trommelwand ab und werden von einer Schnecke in Richtung konische Trommel und Trockenzone gefördert Feststoffe werden durch Auswurfbohrungen in Feststoffgehäuse ausgeworfen spezifisch leichtere Flüssigkeit schwimmt auf und strömt mit anderer flüssiger Phase in Richtung eines zweiten Konus dort werden die beiden Flüssigkeiten von den entgegengesetzt gewundenen Schneckengängen erfasst leichtere Flüssigkeit fließt über separate Ausflussbohrungen ab und dichtere Flüssigkeit wird im Ringspalt zwischen Konus und Trommelwand abgezogen 29 Trikanter Quelle: Flottweg GmbH 30 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1 Bauformen von Separatoren 3.2.2 Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3 Filtrationszentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 31 Filtrationszentrifugen Diskontinuierliche Filtrationszentrifugen Funktionsweise: chargenweise Zufuhr der Suspension Aufbau eines Filterkuchens Filtrat passiert die Siebtrommel Filterkuchen wird von Hand ausgetragen vertikal horizontal 32 Filtrationszentrifugen Kontinuierliche Filtrationszentrifugen Siebschnecken-Filtrationszentrifuge besitzt konische Lochtrommel Auflockerung und Umwälzung des Feststoffs durch Schnecke Feststoffaustrag durch Schnecke 33 Filtrationszentrifugen Kontinuierliche Filtrationszentrifugen einstufige Schub-Filtrationszentrifuge durch einen hin- und herbewegten Kolben wird der Filterkuchen über ein Spaltsieb geschoben 34 Filtrationszentrifugen Kontinuierliche Filtrationszentrifugen Schwing-Filtrationszentrifuge Feststoff bewegt sich durch Trägheitskräfte (hervorgerufen durch Rotation und Schwingungen) Exzenter erzeugen Vibration und verbessern Trennwirkung und Austrag 35 Filtrationszentrifugen Kontinuierliche Filtrationszentrifugen Taumel-Filtrationszentrifuge Trommelachse hat konstante Neigung Filtertrommel dreht sich um die Hohlwelle und langsam um eigene Achse Drehbewegung um Trommelachse ermöglicht Kuchenaustrag 36 Filtrationszentrifugen Kontinuierliche Filtrationszentrifugen Schäl-Filtrationszentrifuge Bilden eines Filterkuchens am Trommelmantel Ausschälen des Sediments für thixotrope Rückstände Schällöffel für kristalline Rückstände Schälmesser Ständer mit Antrieb feststehendes Gehäuse Verschlussvorrichtung Deckel mit Einfüllrohr Trommel Schälrohr mit Spindel Abflussstrutzen 37 Gliederung 1 Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2. Zyklone 3. Zentrifugen 3.1 Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2 Klassifizierung der Zentrifugen 3.3 Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben 38 Systematik der Zentrifugen Einteilung nach verfahrenstechnischen Aufgaben Gastrennung Dismulgierung Extraktion Isotropen-Tr Entgasung G/G L/G L/L GasZentrifuge DünnschichtZentrifuge Ringkammer Extraktor Spiralkamm.Extraktor Tellertromm. Extraktor Sedimentation Filtration Separation Zweiph.-Sep. Dreiph.-Sep. Dekantieren Kombination Sedim./Filtra. Sieb-Zentri. Filter-Zentri. L/L+S L/L S/L/L S/L S/L S/L S/L ExtraktionsDekanter RöhrenSeperator DreiphasenRöhrenSeperator Dekanter SiebDekanter SiebSchneckenZentrifuge TellerSeperator TellerSeparator ÜberlaufZentrifuge StufenkonusZentrifuge GleitZentrifuge DreiphasenDekanter selbstr. Separator DoppelkegelZentrifuge RöhrenZentrifuge PrellringZentrifuge SchwingZentrifuge TaumelZentrifuge Teller-DüsenSeparator BecherZentrifuge (Labor) Hydrozyklon RingkammerZentrifuge SchubZentrifuge (ein- oder mehrstufig SchölZentrifuge (horizontal) Syph.-SchölZentrifuge SchölZentrifuge (vertikal) HängependelZentrifuge DreisäulenZentrifuge FreischwingerZentrifuge 39 Einsatzgebiete von Zentrifugen 40 Auswahlkriterien für Zentrifugen 41 Gliederung Literatur 42 Literatur V. Müller, „Grundoperationen chemische Verfahrenstechnik“ Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie GmbH, Leipzig, 1992 A. Hackl, Skriptum "Mechanische Verfahrenstechnik I“ Technische Universität, Wien, 1986 E. Müller, „Mechanische Trennverfahren“ Band 1 und 2, Salle + Sauerländer Verlag, Frankfurt/Main, 1980 P. Winkel, „Wasser und Abwasser“ Leuze Verlag, Saulgau, 1992 43 Literatur Prospekte Fa. Westfalia Separator Ullmann, „Processes and Process Engineering“ Band 2, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2004 W.R.A.Vuack, H.A. Müller „Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik“ überarbeitete und erweiterte Auflage, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2000 M. Stieß „Mechanische Verfahrenstechnik 1“ 2. Auflage, Springer Verlag 1995 44
