Bei der sog. Begasungsflotation muß eine selbstansaugende und radialstrahlende Trichterdüse feinste Gasbläschen erzeugen und sie mit möglichst geringer Turbulenzwirkung über dem Boden der Flotationszelle verteilen. Bei der kontinuierlichen Durchführung dieses Verfahrens wird die Flotationszelle in einen Begasungs-/Flotationsraum und in einen Beruhigungsraum unterteilt. Der letztere wird vom Flüssigkeitsdurchsatz laminar von oben nach unten durchflossen, damit noch feinste Feststoffteilchen aufrahmen können. Die erfinderische Aufgabe bestand darin, die Trichterdüse so zu modifizieren, daß feinste Bläschen erzeugt werden, und die Flotationszelle sollte so ausgeführt sein, daß im Beruhigungsraum Laminarströmung herrscht. Die Aufgabe wurde so gelöst, daß im Strömungskanal der Trichterdüse Stolperkanten vorhanden sind, die dafür sorgen, daß der Flüssigkeitstreibstrahl über den ganzen Strömungskanal gespreizt wird, die laminare Grenzschicht abreißt und eine starke Scherströmung entsteht. Zur individuellen Optimierung der Sogeigenschaften des Ringkanals kann dieser segmentiert werden. Der Flotationsraum wird ringförmig ausgeführt; so kann der Flotat auf kürzestem Wege aus der Zelle entfernt werden und der nach innen verlegte Beruhigungsraum ist ein Zylinder, der Beruhigungsgitter erhält, damit er laminar durchströmt wird. Anwendungsbereich für diese elegante Trenntechnik sind Reinigung von Prozeß- und Abwässern, Deinking von Altpapier sowie Eindickung von ...
Beschreibung[de]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Begasungsflotation.
Abgesehen von der flotativen Aufarbeitung von Erzen, wo
die Flotation seit Jahrzehnten ein konkurrenzloses Verfahren zur
selektiven Klassierung darstellt, hat sich die Flotation nur noch
in der Abwasserreinigung eingeführt, wo sie im wesentlichen zur
Eindickung des Überschuß-Klärschlammes verwendet wird.
Zu diesem Zweck sind feinste Gasbläschen und ein
Ausbleiben der Turbulenz in der Strömung nötig. Beides wird mittels
einer sog. Druckentspannungsflotation (engl. Dissolved Air
Flotation) bewirkt. Dazu werden etwa 30% des vom Belebtschlamm
gereinigten Abwassers im Kreislauf über einen Druckbehälter
geführt und dort bei ca. 6 bar mit Luft bis zu 70% der
Gaslöslichkeit gesättigt. Dieser Flüssigkeitskreislauf wird anschließend im
Flotationstrog über einen Druckventil entspannt. Es entstehen
feinste Gasblasen (Bläschendrm. 40-60 µm), die die Oberfläche
der Belebtschlamm-Flocken besetzen und sie zur Oberfläche
tragen, flotieren.
Um der Flotation als einem interessanten mechanischen
Trennverfahren für das System fest/flüssig auch zur Reinigung
von Prozeßwasser in der chem. Industrie eine Chance zu geben,
wurde die sog. Begasungsflotation (engl.: Induced Air Flotation)
entwickelt. Zu diesem Zweck wurde eine neue, selbstansaugende
und radialstrahlende Trichterdüse entwickelt (EU - 0 035 243), die
relativ feine Gasblasen (ca. 200 µm) erzeugt und sie gleichmäßig
über dem Boden der Flotationszelle verteilt. Diese Technik hat sich
bei vielen Betriebsaufgaben bewährt, vgl. z. B. Zlokarnik, M.,
Chem.-Ing.-Techn. 53 (1981) 8, 600-606 und Kem. Ind. (Zagreb) 34
(1985) 1, 1-6. Als Beispiel einer großtechnischen Anwendung
dieser Technik ist die flotative Entfernung von Silbersalzen aus
dem Waschwasser einer großen Filmfabrik zu nennen
(EU-0 059 227).
Wenn bei der biol. Abwasserreinigung der sog.
Belebungsraum als Grube oder als Turm von > 10 m Höhe ausgeführt wird,
wird anschließend die sedimentative Trennung des
Belebtschlammes vom gereinigten Abwasser stark beeinträchtigt, weil das
gereinigte Abwasser gelöstes CO2 enthält, das entgast und die
Flocken am Sedimentieren hindert. In diesen Fällen ist die
Flotation sicherlich die Trennmethode der Wahl.
Für diese Aufgabe mußte die Flotation als ein kontinuierlich
laufendes Verfahren ausgeführt werden, was ein völlig neues
Konzept der Flotationszelle erforderlich machte. Die
Flotationszelle wurde zweigeteilt, indem in ihr ein zweiter Behälter
konzentrisch angebracht wurde. Dieser Behälter ist mit der Trichterdüse
versehen und dient als der eigentliche Flotationsraum. Zwischen
dem inneren und äußeren Behälter ist aber ein Ringraum
entstanden, der vom Flüssigkeitsdurchsatz von oben nach unten
laminar durchflossen wird. Dieser Ringraum erfüllt die Aufgabe
eines Beruhigungsraumes, in dem noch feinste, von der
Flüssigkeit mitgerissene Flocken nach oben aufrahmen und ausgetragen
werden können, vgl. Zlokarnik, M., Korresp. Abwasser 32 (1985) 7,
598-603. Diese Technik wurde in einigen Kläranlagen der
Bierbrauereien verwirklicht und hatte sich sehr gut bewährt, vgl.
Schmidt, E., Brauwelt 123 (1983) 42, 1830-1841 und Kühbeck, G.,
Forum der Brauerei 6 (1984), 126-131.
Bei weiteren möglichen Anwendungsfällen hatte sich
jedoch öfters herausgestellt, daß sowohl die
Begasungsvorrichtung (die Trichterdüse) als auch die beschriebene Flotationszelle
einige Nachteile aufweisen, die einer universellen Anwendung
dieses Konzeptes im Wege stehen.
So erzeugt die Trichterdüse für viele Feststoff-Dispersionen
zu große Gasblasen, um sie zufriedenstellend flotieren zu können.
Um diese Aufgabe optimal zu erfüllen, müßte der
Flüssigkeits-Treibstrahldurchsatz im ringförmigen Mischraum der
Trichterdüse auf eine maximale und gezielte Scherwirkung getrimmt
werden; dies ist durch die Steigerung der Sogwirkung allein
nicht zu bewerkstelligen, zumal es wenig Sinn macht, für eine
starke Sogwirkung der Trichterdüse zu sorgen und gleichzeitig
den angesaugten Gasdurchsatz zu drosseln, wie dies bei der
Trichterdüse mit konstantem hydraulischen Querschnitt erfolgt;
vgl. Zlokarnik, M. und J. Su ≙a, Chem.Ing.-Techn 68 (1996) 12,
1572-1574.
Die bisherige Konzeption der Flotationszelle, wonach der
eigentliche Flotationsraum konzentrisch vom Ringraum umgeben
ist (DE 33 47 525 A1), in dem der Flüssigkeitsdurchsatz bei
laminarer Strömung von oben nach unten beruhigt und von restlichen
Feststoff-Partikeln befreit wird, birgt bei technischen
Zellenausführungen (D ≥ 4 m) zwei gravierende Nachteile in sich:
Der erste Nachteil besteht darin, daß das Flotat vom Räumer
über den ganzen Zellenquerschnitt geschoben werden muß, was
den Strömungszustand im Ringraum beeinträchtigt und die
Gefahr in sich birgt, daß Teile des kompaktierten Schlammes im
Ringraum sedimentieren, bevor sie über den Zellenrand aus der
Zelle entfernt werden.
Der zweite Nachteil betrifft den Beruhigungsraum. Seine
Dimensionierung erfolgt nach der im Modellversuch ermittelten
Leerrohrgeschwindigkeit v (meist v ≈ 10 m/h) und zusätzlich nach
der Forderung nach laminarer Strömung, also Re ≈ 2000. Beide
Forderungen lassen sich gleichzeitig nur dann erfüllen, wenn die
Abmessungen des Ringraumes durch den Einbau eines beliebig
geformten Beruhigungsgitters verkleinert werden. Man muß
dabei allerdings in Kauf nehmen, daß die Flocken die Oberfläche
des Gitters belegen und somit auch den Querschnitt einengen
können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, apparative
Veränderungen an der Trichterdüse und an der Flotationszelle zu
schaffen, die die genannten Nachteile beseitigen.
Die erfindungsmäßige Veränderung der Trichterdüse
besteht darin, daß im Strömungskanal der Trichterdüse 1-5
Stolperkanten am Umfang des Kegels und ggf. auch des
Trichtergehäuses angebracht werden, vgl. Fig. 1, die dafür sorgen, daß
die laminare Grenzschicht sowohl auf dem kegelförmigen
Umlenkelement als auch auf dem Gehäuse abreist und es zur voll
ausgebildeten turbulenten Strömung im ganzen Kanal kommt.
Durch diese Maßnahme wird die Sogwirkung einer beliebig
ausgeführten Trichterdüse verbessert. Noch wichtiger ist es, daß
damit die höchstmögliche Scherwirkung der Strömung im Kanal
erzeugt wird, die Voraussetzung zur Bildung allerfeinster
Gasbläschen ist.
In Fig. 2 ist die Sog-Charakteristik einer Trichterdüse
(Durchmesser der Trichterbasis Db = 160 mm;
Treibstrahldüsendrm. d = 20 mm; Flüssigkeitsüberdeckung der Düse H' = 800 mm)
in Abhängigkeit von der Spaltweite s (hydr. Durchmesser Dh des
Spaltes) sowie von der Anwesenheit der Stolperkante am Kegel
dargestellt und belegt, welche Bedeutung der Aufspreizung des
Flüssigkeitstreibstrahles über den gesamten Ringkanal zukommt.
Die Prozeß-Kennzahl hier ist die erweiterte Froude-Kennzahl
qG, qL - Luft- und Wasserdurchsatz.
Bei Trichterdüsen mit Basis-Durchmessern > 500 mm und
noch vertretbarer kleinster Spalthöhe von 15 mm resultieren
Strömungsquerschnitte, die bei einem Flüssigkeitsdurchsatz von ca.
100 m3/h Freistrahl-Geschwindigkeiten < 1,5 m/s liefern. Bei größeren
Trichterdüsen wird man u. U. gezwungen sein, eine
Aussparung des Trichterkanals durch seine Segmentierung
vorzunehmen, damit die Geschwindigkeit des austretenden Freistrahls
der Dispersion Gas/Flüssigkeit nicht wesentlich unter diesen Wert
abfällt.
Diese Ausführungsform einer Trichterdüse ist bereits mit
DE 26 34 496 C2 geschützt worden, nur handelt es sich dort um
einen trichterförmigen Injektor zur Flüssigkeitsbegasung, der
dadurch in einen "Injektor-Büschel" verwandelt wird.
Im vorliegenden Fall bedeuten die Segmente einen
zusätzlichen geometrischen Freiheitsgrad und bewirken einen
dreifachen Nutzen:
a) Bei einer vertretbaren Mindest-Spalthöhe des Kanals kann
auch bei großen Trichterdurchmessern eine hohe
Strömungsgeschwindigkeit des Freistrahls gewährleistet werden.
b) Die Segmente können so ausgeführt werden, daß bei
konstanter Spalthöhe beliebige Kanalquerschnitte erzielt werden:
Konfusor, Diffusor, "Venturi"-Kanal, usw. Auf diese Weise ist es
möglich, die Sogwirkung im Ringspalt jeder Aufgabe optimal
anzupassen. In Regelfall werden 4 bis 8 Segmente genügen.
c) Die Segmente erlauben es, den trichterförmigen Kegel fest mit
dem Gehäuse zu verbinden, womit eine zentrierte, leichte und
dennoch steife Verbindung zwischen den beiden Teilen entsteht.
Eine Ausführung einer solchen Trichterdüse zeigt Fig. 3.
Die erfindungsmäßige Veränderung der Flotationszelle
besteht darin, daß der Ringraum als Flotationsraum ausgeführt
wird und der innere zylindrische Behälter den Beruhigungsraum
bildet. Dieses erfinderische Konzept ist in Fig. 4 vorgestellt. Diese
Ausführung der Flotationszelle bietet gleichzeitig mehrere
bedeutende Vorteile:
1. Der Düse steht der ganze Zellenquerschnitt zur Verfügung;
somit wird der Freistrahl G/L aus der Düse großflächig verteilt,
was die Turbulenz im anschließenden Ringraum herabsetzt und
eine gleichmäßige Verteilung der Gasblasen über den gesamten
Querschnitt der Flotationszelle ermöglicht.
2. Die Hauptmenge der flotierten Flocken rahmt in der Nähe der
äußeren Zellenwand auf und kann somit vom Räumer
unmittelbar und ohne Aufwirbelung der Oberfläche über den Zellenrand
geschoben werden.
3. Im oberen Teil des zylindrischen Beruhigungsraumes bildet
sich ein Flockenfilter aus, der für eine weitgehende
Flockenfreiheit im Zylinder sorgt (ähnlich wie bei der Sedimentation im sog.
Dortmund-Brunnen). Dieser Flockenfilter wird bei diesem Konzept
vom Räumer praktisch nicht gestört, was seiner ungehinderten
Ausbildung zugute kommt.
4. Der innere Zylinder erhält auf der unteren 1/2 bis 2/3 Höhe
einen kreuz- oder ringförmigen Beruhigungseinsatz. Da dies bei
einem kreisförmigen Querschnitt eine äußerst einfache
Maßnahme ist, kann der Zylinderquerschnitt je nach
Flotationsbedingungen sogar so weit wie möglich auf Kosten des
Ringraumquerschnitts vergrößert werden.
Das neue, erfinderische Konzept der Aufteilung des
Begasungs- und des Beruhigungsraumes ermöglicht eine problemlose
Beherrschung großer Zellendurchmesser und beinhaltet einen
weiteren, 5. Vorteil, der genutzt werden kann, wenn die
Flotationszellen übereinander gestapelt werden sollen. Es hat sich
nämlich herausgestellt, daß eine bereits durchschnittliche
Flotationsgeschwindigkeitskonstante von k = 1 min-1 in Verbindung
mit den oben genannten Auslegungs-Kriterien für den
Beruhigungsraum (Re = 2.000; v = 10 m/h) eine Zellenhöhe von H ≈ 2 m
nach sich zieht. Für eine Feststoffabmagerung in der Flüssigkeit
von ct/c0 = 10-3 sind dann lediglich 1,15 m, für ct/c0 = 10-4 nur
1,53 m erforderlich.
Daraus folgt, daß große Flotationszellen bei dieser Technik
Pfannenform besitzen werden, wodurch sie parallelgeschaltet und
übereinander gestapelt werden können. Bei 2 bis 3 Zellen
übereinander ermöglicht dies eine intensive Nutzung der Betriebsfläche.
Nun kommt der 5. Vorteil der Zellenaufteilung zum tragen.
Weil der Flotat im Ringraum aufsteigt, erlaubt sie es nämlich, ihn
über einen um dem Zellenumfang rotierenden Schlammsauger
abzusaugen.
Anspruch[de]
1. Trichterdüsen nach Fig. 1 und 3, die sich durch einen
Strömungskanal mit weitgehend konstantem hydraulischen
Durchmesser auszeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß 1 bis 5
Stolperkanten auf dem Umfang des Kegels und ggf. auch des
Gehäuses angebracht sind.
2. Trichterdüsen und Strahlsauger jeglicher Bauart, die zum
Erzeugen einer Gas/Flüssigkeits-Dispersion dienen, dadurch
gekennzeichnet, daß in ihrem Mischraum Stolperkanten zum
Spreizen des Flüssigkeitstreibstrahls und zum Abriß der
laminaren flüssigen Grenzschicht angebracht sind.
3. Trichterdüsen jeglicher Bauart, die zum Erzeugen einer Gas/
Flüssigkeits-Dispersion dienen, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ringraum segmentiert wird, wobei 4-8 Segmente
Stolperkanten erhalten und so ausgeführt sind, daß ein konvergierender,
ein divergierender oder ein konvergierend-divergierender
"Venturi"- Kanal entsteht.
4. Flotationszelle mit getrenntem Begasungs- und
Beruhigungsraum nach Abb. 4, wobei der letztere laminar von oben nach unten
durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum
als Begasungs-/Flotationsraum verwendet wird, während der
innere zylindrische und konzentrisch angeordnete Behälter als
Beruhigungsraum dient.
5. Flotationsverfahren zur Entfernung beliebiger Feststoffe aus
dem Prozeß- oder Abwasser, dadurch gekennzeichnet, daß zu
deren Durchführung die in Ansprüchen 1 bis 3 beschriebenen
Düsen verwendet werden.
6. Flotationsverfahren zur Entfernung beliebiger Feststoffe aus
dem Prozeß- oder Abwasser, dadurch gekennzeichnet, daß zu
deren Durchführung die im Anspruch 4 beschriebene
Flotationszelle verwendet wird.
7. Übereinanderstapelung von Flotationszellen niedriger Höhe
(H ≈ 2 m), wobei das Flotat mit einem um dem Zellenumfang
rotierenden Schlammsauger abgesaugt wird.