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Dokumentenidentifikation DE69623996T2 22.05.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0881926
Titel HYDROZYKLON ZUR GASTRENNUNG
Anmelder Gnesys, Inc., Memphis, Tenn., US
Erfinder GREENE, Boyd, Memphis, US;
NASSIF, Naji, Memphis, US
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10117 Berlin
DE-Aktenzeichen 69623996
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.10.1996
EP-Aktenzeichen 969367358
WO-Anmeldetag 18.10.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/16784
WO-Veröffentlichungsnummer 0097014489
WO-Veröffentlichungsdatum 24.04.1997
EP-Offenlegungsdatum 09.12.1998
EP date of grant 25.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.05.2003
IPC-Hauptklasse B01D 19/00
IPC-Nebenklasse B01D 45/00   B01D 17/038   B01D 45/12   B04C 5/02   B04C 5/103   B04C 7/00   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Hydrozyklon zum Trennen eines aus mehreren Phasen zusammengesetzten Eingangsstromes in dessen Bestandteile, zum Beispiel das Trennen fester/flüssiger/gasförmiger Bestandteile, oder das Trennen von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. Das Trennen wird durch Differenzierung der Phasen auf Basis ihrer volumenbezogene Masse bewirkt, durch das Einwirken einer Zentrifugalkraft, die dem Strom auf Grund der zyklonartigen Funktion mitgeteilt wird.

Das beanspruchte System besteht aus einem Hydrozyklon, der speziell dafür ausgelegt ist, daß er dieses Dreiphasensystem verarbeiten kann, der durch eine spezifische Struktur gekennzeichnet ist, die einen spiralförmig zyklonartigen Weg mit rundem Querschnitt umfaßt und die in einem diskreten, ringförmigen, konischen Raum zwischen zwei ineinander verschachtelten konischen Kammern angeordnet ist.

Stand der Technik

Allgemein besteht ein Hydrozyklon aus einer Kammer, mit zum Beispiel invertiert konischer Form. Ein strömendes Gemisch, das zum Beispiel aus Flüssigkeit/Feststoff oder einer Flüssigkeit mit hoher/niedriger Dichte besteht, wird mit sehr hoher Geschwindigkeit tangential in die Kammer eingeleitet, in Richtung zum oberen Ende der Kammer, das heißt an der Basis des Kegels. Die große Winkelbeschleunigung der Strömung - teilt eine Zentrifugalkraft mit, die auf die unterschiedlichen Dichten der Komponenten der Strömung wirkt. Die schwerere Komponente wird gegen die Wand des Kegels geschleudert, schraubt sich auf einer Spiralbahn nach unten, um sich an einem unten liegenden Auslaßteil zu sammeln, während die leichtere Fraktion radial nach innen und oben strebt, auf Grund des Druckabfalls, der vom Zyklon erzeugt wird.

Die US Patente Nr. 1,791,304 und 2,316,729 offenbaren Hydrozyklone zum Trennen von Flüssigkeiten von Dampf oder anderen Gasen und umfassen ein zylindrisches Gehäuse und einen schraubenförmigen Weg, der die Innenwand des Gehäuses umrundet. Solche Apparaturen sind nicht sehr effektiv.

Es wurde versucht, die Trennwirkung zu erhöhen, indem eine weitere Kammer außerhalb der Hauptkammer vorgesehen wurde. So offenbaren die verwandten US-Patente Nr. 5,300,222 und 5,407,584, die beide von Broussard veröffentlicht wurden, eine Vorrichtung zum Trennen von Öl, Wasser, Sand und Dampf. Ein Zyklon ist im Inneren eines großen Trennbehälters angeordnet. Der Zyklon umfaßt eine äußere zylindrische Hülse und eine innere, koaxiale zylindrische Hülse und einen ringförmigen Raum zwischen beiden. Das Gemisch tritt durch eine tangential ausgerichtete Zuleitungseinrichtung in den ringförmigen Raum ein. Das schwerere Wasser und der Sand werden zur Außenseite des Raumes getrieben, gegen die Innenseite der äußeren Hülse, wenn das Gemisch im ringförmigen Raum auf einem spiralförmigen Weg nach unten wandert. Die innere Hülse endet an einem Punkt, wo die äußere Hülse eine konisch geformte Hülse bildet. Der konisch Hülsenteil ist hohl und hat keinen definierten ringförmigen oder konischen Raum.

Andere haben versucht, der Wand der konischen Hauptkammer eine gewisse Durchlässigkeit zu verleihen, in Verbindung mit einer weiteren Kammer, die außerhalb der Hauptkammer angeordnet ist. Das US-Patent Nr. 4,048,067, von Cheng, offenbart einen Hydrozyklon, der einen konischen, ringförmigen Raum aufweist. Die konische Innenwand ist perforiert und weist eine poröse Auskleidung auf, die für Flüssigkeiten undurchlässig ist. Ein Flüssigkeits-/Feststoffgemisch tritt in die innere konische Kammer ein, und die Feststoffe werden in der porösen Auskleidung zurückgehalten, während die schwerere Flüssigkeit passiert und in den konischen, ringförmigen Raum und durch eine Auslaßöffnung tritt. Die zurückgehaltenen Feststoffe werden durch eine weitere Auslaßöffnung am Boden der inneren konischen Kammer herausgespült. Leichtere Flüssigkeiten werden auf die übliche Art und Weise durch eine Auslaßöffnung aufgenommen und in das System zurückgeführt. Der konische ringförmige Raum ist jedoch lediglich eine Sammelzone für Flüssigkeiten, die durch die poröse Wand hindurchtreten. Diese Apparatur beruht auf der erzeugten Zentrifugalkraft, um die Abtrennung der Feststoffe mit Hilfe von Filtermitteln zu verbessern. Dies stellt jedoch gleichzeitig ein Arbeiten gegen die zyklonartige Wirkung dar, weil man sich darauf verläßt, daß die leichteren Flüssigkeiten in die äußere Kammer austreten, während die schwereren Feststoffe in der konischen Hauptkammer eingeschlossen sind. Darüber hinaus setzen sich die Filtermittel schnell mit mitgeschleppten Feststoffen zu, verringern den Wirkungsgrad und machen eine periodische Reinigung erforderlich.

US-Patent Nr. 4,097,375 von Molitor offenbart einen Hydrozyklon zum Abtrennen von gelöstem Salz aus einem Wasserstrom. Die leichteren Flüssigkeiten streben zum Zentrum des mittleren Kegels und fließen an der Oberseite durch eine obere Auslaßöffnung heraus, wobei die schwereren Flüssigkeiten zur Wand des Kegels streben und schließlich durch eine untere Auslaßöffnung am Boden ausfließen. Die salzhaltige Flüssigkeit ist am schwersten und zirkuliert auf Grund der Zentrifugalkraft gegen den Teil einer Wand, der ein poröses Medium enthält, das die Salzfraktion abtrennt. Das saubere Wasser fließt anschließend in die ringförmige kegelstumpfartige Kammer, die an den Wandteil grenzt. Arbeitsweise und Aufbau dieser Vorrichtung sind der oben diskutierten Vorrichtung nach Cheng darin ähnlich, daß in beiden Fällen die porösen Hülsen als Filter fungieren, welche die schwereren Feststoffe im inneren Zyklonvolumen zurückhalten, während die gereinigte Flüssigkeit in die äußere Aufnahmekammer passieren kann. Die selben Nachteile treffen auch hier zu.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend umfaßt die Erfindung einen Hydrozyklon zum Herbeiführen einer Trennung eines aus mehreren Phasen zusammengesetzten Eingangsstromes, der aus zwei ineinander verschachtelten koaxialen Hülsen besteht, zwischen denen sich ein ringförmiger Raum konstanter Breite befindet. Eine tangential ausgerichtete Zuleitungseinrichtung führt in den ringförmigen Raum zwischen den ineinander verschachtelten Hülsen.

Der Hydrozyklon umfaßt zwei ineinander verschachtelte koaxiale Hülsen, die entweder zylindrisch oder nach unten spitz zulaufende Kegel sein können. Eine Auslaßeinrichtung ist mit dem ringförmigen Raum verbunden.

Die zyklonartig spiralförmige Abwärtsbewegung des Eingangsstromes wird verstärkt, gesteuert und optimiert durch eine konstruktive spiralförmige Einrichtung, die innerhalb des ringförmigen Raumes angeordnet ist, die einen diskreten spiralförmigen Weg ausbildet. Die spiralförmige Einrichtung (16) wird von einem wendelförmigen Längenabschnitt einer Struktur mit kreisförmigem Querschnitt geformt. Vorzugsweise besteht die spiralförmige Einrichtung aus einem hohlen Rohr. Das Rohr kann Teile aufweisen, die über seinen unteren Abschnitt verteilt sind, um den Zutritt von Gasen in das hohle Rohr zu ermöglichen. Die Gase können dann durch das Rohr nach oben wandern, in einer gegenläufigen Richtung zum Eingangsstrom, zur weiteren Verarbeitung, wenn sie eine Auslaßöffnung am oberen Ende der Apparatur erreichen.

Entweder eine oder beide der ineinander verschachtelten Hülsen können dadurch gekennzeichnet sein, daß sie an beliebigen Stellen Perforationen oder Teile aufweisen. Im Falle der inneren Hülse würden diese Teile mit dem Innenraum der Hülse kommunizieren und würden es der leichteren Fraktion, zum Beispiel Gas und mitgeschleppter Flüssigkeit ermöglichen, ins Innere zu gelangen, wo sie durch eine mittig angeordnete Auslaßöffnung aufgenommen werden. Im Falle der äußeren Hülse würden diese Teile den ringförmigen Raum zwischen den Hülsen mit dem ringförmigen Sammelbereich verbinden, der in der äußeren Kammer ausgebildet ist. Die schwerere Fraktion, die zum Beispiel Feststoffe und Flüssigkeit einschließt, die auf Grund ihrer größeren Dichte gegen die äußere Wand geschleudert wird, könnte dann zumindest teilweise aus dem spiralförmigen Weg abgezogen werden. Die mittelschwere Fraktion, zum Beispiel Flüssigkeit, bleibt innerhalb des spiralförmigen, ringförmigen Weges und tritt an dessen Boden aus.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dem Eingangsstrom ein vertikal ausgerichtetes, rechteckiges Profil mitgeteilt, bevor dieser in den ringförmigen zyklonartigen Raum eintritt, auf Grund eines Übergangsbereiches, der zwischen dem Strömungszuleitungsrohr und der Eintrittsstelle in den ringförmigen Raum eingebracht ist.

Die Erfindung umfaßt auch eine Trennapparatur, die aus einem Hydrozyklon besteht, der mit einem sekundären Gas/Flüssigkeitsseparator gekoppelt ist, der über dem Hydrozyklon angeordnet ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht des Querschnitts eines allgemein bekannten Hydrozyklons, der aus ineinander verschachtelten konischen Hülsen besteht.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Querschnitts eines alternativen Ausführungsbeispiels des Hydrozyklons nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Übergangsabschnitts der auf Fig. 6 gezeigten Apparatur.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt entlang der Linien V-V auf Fig. 2, bei einem Ausführungsbeispiel, das Übergangsmittel in den Hülsen aufweist.

Fig. 5A zeigt eine Seitenansicht entlang der Linie Va-Va auf Fig. 5.

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem spiralförmigen Rohr innerhalb des ringförmigen Raumes.

Fig. 7 zeigt eine Einzelheit von Fig. 6.

Fig. 8 zeigt eine Vergrößerung der Fläche A auf Fig. 7.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie IX-IX auf Fig. 6.

Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht eines sekundären Gas/Flüssigkeitsseparators der Erfindung.

Fig. 11 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des Separators nach Fig. 10, einschließlich einer optionalen dritten Hülse innerhalb der äußeren Hülse.

Fig. 12 zeigt eine Seitenansicht des Querschnitts entlang der Linie XII-XII auf Fig. 11.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein Hydrozyklon ist eine durchströmte Vorrichtung, die zum Trennen einer Mischung fester/flüssiger/gasförmiger Bestandteile verwendet wird, mit Bestandteilen, die unterschiedliche volumenbezogene Massen innerhalb ihrer einzelnen Phasen aufweisen. Der Eingangsstrom kann aus einer beliebigen Kombination von Phasen bestehen, zum Beispiel fest/flüssig, flüssig/gasförmig oder aller drei Phasen. Im Falle einer Mischung flüssig/flüssig trennt sie die leichtere Flüssigkeit von der schwereren Flüssigkeit. Wie der Name unterstellt, ist ein Hydrozyklon dazu ausgelegt, die Strömung zu zwingen, einer nach unten enger werdenden spiralförmigen Bahn zu folgen, die auf die hindurchfließende Flüssigkeitsmischung eine Zentrifugalkraft ausübt.

Ein bekanntes Ausführungsbeispiel wird in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Der Abschnitt des Hydrozyklons 2 besteht aus einem zylindrischen Übergangsabschnitt 4, der den Eingangsstrom an der Zuleitungseinrichtung 8 aufnimmt und das runde Profil des Strömungsquerschnitts in ein rechteckiges Profil umformt. Der Übergangsabschnitt 4 führt in einen nach unten spitz zulaufenden konischen Abschnitt 6. Der wirksame Teil des konischen Abschnitts 6 wird von zwei ineinander verschachtelten, koaxialen Kegelstümpfen, die einen identischen Steigungswinkel aufweisen, der inneren Hülse 10 und der äußeren Hülse 12 gebildet, die zwischen sich einen ringförmigen Raum 14 bilden. Wegen der großen Geschwindigkeit des Eingangsstromes, der tangential in den Hydrozyklon gerichtet ist, fließt der Strom innerhalb des ringförmigen Raumes 14 auf einem spiralförmigen Weg nach unten. Die Breite des ringförmigen Raumes wird in Verbindung mit dem rechteckigen Profil der Übergangsdüse so festgelegt, daß die grundlegende zyklonartige Wirkung verbessert wird. Das heißt, durch Bereitstellen einer inneren konischen Wand zusätzlich zu der standardmäßig üblichen äußeren konischen Wand, wird die Dicke des Flusses in diesem eingeschränkten Querschnitt gesteuert. Das Ergebnis besteht in einer Verringerung des Auftretens sekundärer Strömungswirbel und anderer unerwünschter turbulenzerzeugender Effekte, die eine erneute Vermischung verursachen können. So kann die Trennwirkung, die Dank der auf die unterschiedlichen Phasendichten wirkenden Zentrifugalkraft auftritt, maximiert werden. Wenn der Strom am unteren Ende des konischen, ringförmigen Raumes austritt, ist die Trennung der Phasen relativ gut definiert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das einen speziellen Übergangsbereich und eine spezielle Übergangsdüse aufweist, wird im Detail auf den Fig. 2-4 genauer beschrieben. Die an dieser Stelle sowie weiter unten beschriebenen zusätzlichen Eigenschaften können sowohl auf den oben beschriebenen konischen Hydrozyklon (und wie auf den Zeichnung dargestellt), als auch auf einen Hydrozyklon übertragen werden, der anstelle der konischen Hülsen zwei zylindrische Hülsen aufweist. Ein gemischtphasiger Eingangsstrom tritt in den Hydrozyklon mit sehr großer Geschwindigkeit über die Zuleitungseinrichtung 8 und in die Übergangsdüse 9 ein, die so aufgebaut ist, daß sie den Strom in einen Strom mit einem schmalen, vertikalen, rechteckigen Profil 11 umformt, aus Gründen, die nachfolgend erläutert werden. Die Einlaßdüse 9 ragt in das Innere des Körpers des Übergangsabschnitts 4 hinein und ist in Bezug auf die innere Wand 13 des Übergangsabschnitts horizontal und tangential angeordnet. Die Düse ist so geformt, daß sie das Profil der Strömung transformiert, ohne Turbulenzen zu verursachen, das heißt, es sollte keine abrupte Änderung der Strömung auftreten, welche die weitere Verarbeitung im Inneren des Hydrozyklons übermäßig verkomplizieren würde. Um den optimalen Grad der Turbulenz bereitzustellen, so fand man heraus, sollte das Seitenverhältnis des rechteckigen Profils mindestens 2 : 1 in der vertikalen Richtung (das heißt, in der Richtung parallel zur Achse der Hülsen) betragen und eher näher bei 6 : 1 und bis 12 : 1 oder darüber liegen. Der Fachmann wird in der Lage sein, auf der Grundlage der nachfolgenden detaillierten Diskussion das optimale Profil festzulegen.

Der spiralförmige Weg beginnt dort, wo die Düse 9 in den Raum 11 mit rechteckigem Querschnitt übergeht, er windet sich in den Zyklonabschnitt 6 und beginnt unter Einwirkung der Zentrifugalkraft seinen Abstieg nach unten. Wegen der extremen Kraft, die auf Grund des eng gewundenen spiralförmigen Weges auf die Strömung ausgeübt wird, wird die Mischung auf Basis ihrer Dichte in ihre drei Phasen getrennt. Die schwerere Fraktion wird radial zur Außenseite des ringförmigen Raumes gezwungen, gegen die Innenwand der äußeren Hülse 12. Beim Austritt aus dem ringförmigen Raum fällt die schwere Fraktion unter Einwirkung der Schwerkraft in den Sammelbereich 22a, der durch eine nach unten ragende Verlängerung eines äußeren Behälters 20 gebildet wird und kann anschließend über den Auslaß 24 entnommen werden. Die leichte Fraktion (zum Beispiel Das und/oder Flüssigkeit) wird durch den mittleren Bereich 26 nach oben zum Steigrohranschluß 28 gezogen.

Der Hydrozyklon kann auch einen äußeren Behälter 20 aufweisen, der die äußere Hülse 12 umgibt, so daß dort herum ein ringförmiger Raum gebildet wird, der in den Sammelbereich 22a führt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das allein oder in Verbindung mit anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann, wird im Detail auf Fig. 5 und 5A gezeigt. Das Ausführungsbeispiel umfaßt Übergangsmittel, die in den Wänden entweder einer oder beider Hülsen, der inneren und äußeren, angeordnet sind, um einen Durchtritt von Fluid in die angrenzende Region zu ermöglichen, und die eingesetzt werden können, um die Trennung unterschiedlicher Phasen zu verbessern. Im Falle der inneren Hülse funktionieren die Übergangsmittel 39 der inneren Hülse in Form von Toren, Flügeln oder Perforationen, die den ringförmigen Raum mit dem inneren Bereich 26 verbinden, um die leichtere Fraktion, zum Beispiel Gas und mitgeschleppte Flüssigkeit, aus dem spiralförmigen Fluß in den Bereich 26 abzuziehen, um sie an einem Steigrohranschluß 28 zu entnehmen. Die Übergangsmittel 39 sollten unterhalb des Steigrohranschlusses 28 angeordnet sein. Ähnlich kann die äußere Hülse äußere Übergansmittel 41 aufweisen, die den ringförmigen Raum mit dem ringförmigen äußeren Sammelbereich 22 verbinden, der zwischen dem äußeren Behälter 20 und der äußeren Hülse 12 gebildet wird, und die so wirken, daß die schwerere Fraktion, zum Beispiel eine Mischung aus Feststoff und Flüssigkeit abgezogen werden kann. Wenn entweder ein oder beide Übergangsmittel der inneren beziehungsweise der äußeren Hülse vorhanden sind, wird die verbleibende mittelschwere Fraktion, die zum Beispiel in den meisten Fällen aus Flüssigkeit besteht, weiter auf dem spiralförmigen Weg nach unten fließen und am Boden austreten. Anzahl, Größe und Lage der Übergangsmittel wird durch den Fachmann neben anderen Faktoren anhand der spezifischen Einlaßströmung festgelegt. So kann zum Beispiel bei Anwesenheit von Feststoffen bei aufeinanderfolgenden Windungen des spiralförmigen Weges in Richtung zum Boden eine Reihe von Übergangsmitteln 41 angeordnet werden. Die Fig. 5 und 5A zeigen eine Art und Weise, wie ein Übergangsmittel konstruiert sein kann, nämlich durch Ausbilden eines ausgeschnittenen Flügels in der Hülse. Es kann jedoch jede beliebige Art von Übergangsmitteln verwendet werden, die in der Lage ist, eine bestimmte Fraktion der Strömung abzuziehen.

Wenn die Feststoffe und Gas den ringförmigen Raum durch ihre entsprechenden Auslauföffnungen verlassen, bleibt die Flüssigkeit innerhalb des spiralförmigen Weges, wobei sie weiter auf einer Spiralbahn dort hindurch nach unten fließt. Am unteren Ende des Weges 34, der generell definiert ist durch den Abschnittpunkt der Hülsen 10 und 12 treten die Flüssigkeiten in den Sammelbereich 22a ein. Eine schwerere Fraktion, die zum Beispiel aus einer Feststoff-/Flüssigkeitsmischung besteht, tritt aus dem unteren Ende des spiralförmigen Weges aus und/oder radial durch die Übergangsmittel der äußeren Hülse, sammelt sich in der Region 22a in Richtung auf das untere Ende der äußeren Hülse, damit sie zur weiteren Behandlung an der Auslauföffnung entnommen werden kann, während die leichtere Flüssigkeit innerhalb des Sammelbereichs nach oben steigt, so daß sie über die Öffnung des Überlaufrohres 32 nach oben, im mittleren Bereich des Zyklons oder über Auslaß 28 entnommen werden kann.

Ein Flüssigkeitsbetriebsniveau wird innerhalb des Zyklons oberhalb des Überlaufrohres und in Verbindung mit einem Ablauf aufrechterhalten, der zum Überlaufauslaß 32a gehört. Um erneute Vermischung zu vermeiden, sollte klar sein, daß sowohl die Öffnung des Überlaufrohres und das Flüssigkeitsbetriebsniveau über dem unteren Auslaß des spiralförmigen Weges als auch oberhalb eventuell vorhandener Hülsen-Übergangsmittel angeordnet sein müssen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6-9 enthält ein Ausführungsbeispiel der Erfindung konstruktive Mittel zum Festlegen einer spiralförmigen Bahn, die aus einer spiralförmigen Teilungseinrichtung bestehen, die innerhalb des ringförmigen Raumes angeordnet ist, welche den Abstand zwischen der inneren und der äußeren Hülse überbrückt und den spiralförmigen Weg zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der spiralförmigen Teilungseinrichtung 16 definieren. Aus Gründen, die weiter unten erklärt werden, wird die spiralförmige Einrichtung 16 von einem gewendelten Längenstück einer Struktur mit kreisförmigem Querschnitt gebildet, die sich innerhalb des ringförmigen Raumes 14 befindet, wobei die Außenseiten des gewendelten Längenstücks als Grenzen für den spiralförmigen Weg fungieren.

Es ist sogar noch vorteilhafter, wenn das gewendelte Längenstück von einem hohlen Rohr gebildet wird. Zusätzlich zur einfacheren Herstellung in Bezug auf eine spiralförmige Platte (und aus diesem Grund kann auch ein Stab aus Vollmaterial mit rundem Querschnitt verwendet werden), kann das Rohr auch die weiter unten diskutierten funktionellen Vorteile bieten. Wie dies auf Fig. 7 im Detail dargestellt ist, haben die Kontaktstellen zwischen den seitlichen Flächen des Rohres und den Wänden der Hülsen die Funktion, den unteren 42 beziehungsweise den oberen 40 Seiten aufeinanderfolgender Windungen des Rohres zu ermöglichen, als obere beziehungsweise untere bogenförmige Selten des "recheckigen" spiralförmigem. Weges zu fungieren. Weil der im wesentlichen rechteckige Querschnitt 14 des Pfades in hohem Maße in Längsrichtung verläuft, beeinflußt die nach innen konvexe Natur der kürzeren Seitenwände des vom Rohr geformten Rechtecks die zyklonartige Funktion nicht besonders stark, und kann berücksichtigt werden, wenn die Strömungsmuster analysiert werden.

Dennoch wirkt bei Anwesenheit von Gas in der Strömung die Ecke 48, die zwischen dem unteren Teil 42 der äußeren Rohrwand und der äußeren Wand 44 der inneren Hülse geformt ist, das heißt die obere innere Ecke des rechteckigen Querschnitts des spiralförmiger Weges, so, daß eine Fläche gebildet wird, die im allgemeinen frei von Flüssigkeit oder Feststoffen ist. Somit kann eine Reihe von Perforationen 50 durch das Rohr 16 über dessen Länge verteilt, vorgesehen werden, die das Innere des spiralförmigen Weges 14 mit dem Inneren des hohlen Rohres 52 verbinden, um das Entweichen von Gasen aus dem sich zyklonartig bewegenden, gemischten Eingangsstrom zu ermöglichen. Größe, Anzahl und Abstand der Perforationen hängen vom Anteil und der Art des Gases in der Mischung ab und seinem Emulsionsgrad darin. Die Gase streben zum oberen Teil des spiralförmigen Weges und können so in das hohle Rohr strömen, um durch das Rohr im Gegenstrom zu dem nach unten sich zyklonartig bewegenden Eingangsstrom nach oben zu strömen (Richtung des Pfeils C), so daß sie an der Auslaßöffnung 56 abgezogen werden können. Es stellte sich heraus, daß eine vorteilhafte Positionierung der Perforationen diejenige ist, wenn deren Mitten in einem mit β bezeichnetem Winkel von annähernd 45º angeordnet sind, in Bezug auf den horizontalen Durchmesser, der durch den lateralen Querschnitt des Rohres verläuft.

Das System kann lediglich aus dem oben beschriebenen Zyklon mit seinen verschiedenen Ausführungsbeispielen bestehen oder es kann weiter vorteilhafterweise einen sekundären, darüber angeordneten Gas-/Flüssigkeitsseparator 60 umfassen, wie dies auf den Fig. 10-12 dargestellt ist. Gas und mitgeschleppte Flüssigkeit strömen vom Zyklon 2 nach oben durch die Säule 28, die für den Gas-/Flüssigkeitsseparator 60 als Zuleitung dient. Zusätzlich kann das durch das hohle Rohr 16 strömende separierte Gas in den sekundären Separator eingespeist werden.

Der Separator 60 kann eine im großen und ganzen zylindrische Hülse aufweisen. Die Säule 29 kann aus zwei konzentrischen Rohren bestehen, einem Steigrohr 28 zur Aufnahme von Gas/Flüssigkeit, das ein Rücklaufrohr 30 für die Flüssigkeit umschließt. Um ein Kurzschließen des Trennzyklusses zu verhindern, sollte das Rücklaufrohr 30 bis unter das Flüssigkeitsbetriebsniveau in der Hauptapparatur 2 ragen, während das Steigrohr 28 über diesem Niveau liegen sollte. Das Steigrohr 28 führt in ein sekundäres Separatorsystem 66. Das Separatorsystem 66 besteht aus einer Reihe von ineinander verschachtelten koaxialen Hülsen. Die äußere Hülse 68 weitet sich in Richtung vom Einlaß des Steigrohrs 28 nach oben auf und ist an der oberen Wand 70 verschlossen, so daß mit Ausnahme der Austrittsöffnungen für Flüssigkeit und Gas ein im allgemeinen geschlossenes System gebildet wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, das auf Fig. 10 dargestellt ist, kann auf die äußere Hülse 68 (als gepunktete Linie dargestellt), verzichtet werden und die Hülse 67 kann deren Funktion erfüllen. Der Gasaustrittsanschluß 72 ragt nach oben durch die Mitte der Wand 70. Eine erste innere Hülse 74 ist im Inneren der äußeren Hülse 68 und im Abstand zu dieser angeordnet und bildet einen ringförmigen Raum 78 zwischen beiden. Ein Strom aus einer Gas-/Flüssigkeitsmischung tritt über das Steigrohr 28 ein und strömt nach oben gerichtet in den Raum 78 ein. Die Richtung der Strömung wird dann abrupt umgekehrt, wenn diese die Einführungsöffnungen 76 passiert, die am oberen Teil der ersten inneren Hülse 74 vorhanden sind, in einen zweiten ringförmigen Raunt 80, der zwischen der ersten inneren Hülse 74 und der zweiten inneren Hülse 84, die mit Abstand innerhalb der ersten inneren Hülse angeordnet ist, ausgebildet ist. Vorzugsweise werden die Anschlüsse 76, wie dies auf Fig. 11 dargestellt ist, als horizontal ausgerichtete Flügel ausgebildet, die den Strom in den Raum 80 lenken, in einer anfänglich tangentialen Richtung, die sich dann auf einer zyklonartig spiralförmigen Bahn nach unten durch den Raum 80 fortsetzt. Der abrupte Richtungswechsel und die anschließende zyklonartige Strömung im Raum 80 wirken so, daß eine Trennung bewirkt wird, so daß die Flüssigkeit dazu tendiert, der Schwerkraft folgend nach unten durch die Rücklaufleitung 30 zu fallen, die sich vom Boden der Hülse 74 erstreckt, während das Gas (möglicherweise mit einem gewissen Rest mitgeschleppter Flüssigkeit) durch den offenen Boden der Hülse 84 nach oben zu einem Auslaß steigt.

Der sekundäre Separator kann auch so konstruiert sein, daß er zusätzliche Trennkräfte auf der Grundlage der zyklonartig spiralförmigen Strömung bereitstellt, auf ähnliche Art und Weise, wie der Hauptzyklon, wenn der Gas- /Flüssigkeitseinlaß tangential in den sekundären Separator gerichtet ist. In diesem Fall sollten die ringförmigen Räume 78, 80 frei von strukturellen Abstandshaltern 85 oder ähnlichem sein, die bei dem nichtzyklonischen Ausführungsbeispiel des sekundären Separators vorhanden sein können, die jedoch die spiralförmige Strömung behindern würden.

Theorie und Betrieb der Apparatur werden nun beschrieben und desgleichen die Überlegungen, die bei der Wahl der geeigneten Parameter der Konfiguration zu berücksichtigen sind. Während ein Verfahren des Separatorentwurfs nachfolgend erstellt wird, ist für den Fachmann ersichtlich, das die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Entwurfs mit beliebigen bekannten Techniken erreicht werden können.

Die auf ein gegebenes Teilchen innerhalb des Strömungsfeldes wirkende Zentrifugalkraft hängt mit dem Radius der Schraubenlinie an diesem Punkt, der Masse des Teilchens und dessen tangentialer Geschwindigkeit zusammen und ist durch folgende Formel gegeben:

F = mν /r

Dabei sind:

F = die auf das Teilchen wirkende Kraft

m = Masse des Teilchens

vt = tangentiale Geschwindigkeit des Teilchens

r = Radius der Schraubenlinie

Deshalb werden zwei Teilchen gleichen Volumens aber unterschiedlicher Dichte, die mit derselben tangentialen Geschwindigkeit strömen und die sich an äquidistanten Punkten, bezogen auf die Mitte der Schraubenlinie befinden, unterschiedliche Zentrifugalkräfte erfahren. Dem Teilchen mit der größeren Dichte wird eine größere Zentrifugalkraft mitgeteilt und deshalb wird es dazu neigen, sich weiter nach außen zu bewegen als das leichtere Teilchen. In einer Mischung wird sich das schwerere Teilchen bis zur äußersten radialen Grenze der Schraubenlinie bewegen, dabei werden die leichteren Teilchen nach innen verdrängt, auf diese Weise wird die Trennung verursacht. Deshalb ist die Trennung in einem Hydrozyklon direkt proportional zur Differenz der volumenbezogenen Massen der zu trennenden Fluide:

In einem Hydrozyklon, bei dem die physikalischen Eigenschaften der zu trennenden Fluide konstant sind, kann die Trennung verbessert werden, indem die Normalbeschleunigung maximiert wird:

αn = ν /r

Dies kann man erreichen, indem entweder die tangentiale Geschwindigkeit des Fluids erhöht oder der Durchmesser der Schraubenlinie verringert wird. Bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit kann, wenn man berücksichtigt, daß die Strömung nicht kompressibel ist, die tangentiale Geschwindigkeit erhöht werden, indem der Strömungsquerschnitt verringert wird.

Dies führt auch zu höheren Reynoldsschen Zahlen und zu erhöhter Turbulenz, was eine erneute Vermischung verursachen kann. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit wird zu einer Vergrößerung der Reibungsverluste, das heißt der Druckverluste führen, die in der Vorrichtung einen Bedarf an größerer Pumpleistung erzeugen. Deshalb ist es vorteilhaft, die Geschwindigkeit zu maximieren, während die Druckverluste und die Turbulenz innerhalb annehmbarer Bereiche bleiben. So liegt zum Beispiel der wirtschaftliche Bereich der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren zwischen 4,4 und. 8,4 ft/sec (1,3 und 2,7 m/s). Das Hauptziel besteht darin, einen hohen Wirkungsgrad der Trennung zu erreichen. Deshalb muß, um die Normalbeschleunigung zu maximieren ohne die Betriebskosten drastisch zu beeinflussen, die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe des oberen Bereichs gehalten werden (8,8 ft/sec; 2,7 m/s). Dies erhöht jedoch die Reynoldssche Zahl, die wiederum die Turbulenz erhöht. Die Reynoldssche Zahl ist definiert als:

Re = QDh/Aν

dabei sind:

Q = Strömungsgeschwindigkeit

A = Querschnittsfläche im Strömungskanal

v = kinematische Viskosität des Fluids

Dh = Hydraulischer Durchmesser des Strömungskanals

wobei

Dh = 4A/P

dabei ist P der benetzte Umfang.

Deshalb wird die Reynoldssche Zahl zu

Re = 4Q/νP

Um die Reynoldssche Zahl für ein gegebenes Fluid zu minimieren, das mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit fließt, muß der benetzte Umfang des Kanals vergrößert werden, ohne dessen Querschnittsfläche zu vergrößern, um die Durchschnittsgeschwindigkeit nicht zu reduzieren und eine hohe Normalbeschleunigung aufrechtzuerhalten. Deshalb muß P für eine konstante Fläche A maximiert werden. Für einen rechteckigen Kanal gilt

A = HW

dabei sind

H = Höhe des Kanals

W = Breite des Kanals

und

P = 2(H + W).

Nach Zusammenfassen der beiden obigen Gleichungen

Ableiten nach W und Gleichsetzen der Ableitung mit Null führt zum minimalen benetzten Umfang, für den H = W ist (quadratischer Kanal). Deshalb kann bei identischer Querschnittsfläche der benetzte Umfang durch Vergrößern der Länge einer Seite des rechteckigen Kanals vergrößert werden, während die andere Seite umgekehrt proportional verkleinert wird, dabei ist zu berücksichtigen, daß der Kanal praktisch herstellbar sein muß.

Deshalb muß, um die mittlere tangentiale Geschwindigkeit groß zu halten und die Reynoldssche Zahl und damit die Turbulenz zu minimieren, der Strömungskanal im Grunde genommen dünn, schlitzähnlich und rechteckig sein.

Bei der Bestimmung der Orientierung der Hauptachse des rechteckigen Kanals in Bezug auf die Drehachse der Schraubenlinie ist folgendes zu berücksichtigen. In einem spiralförmigen Strömungskanal existiert eine Sekundärströmung, weil die dem Zentrum des Rohres am nächsten liegenden Fluide, die eine größere Geschwindigkeit haben, mit einer größeren Zentrifugalkraft beaufschlagt werden als die langsameren Teilchen in Nähe der Wand. Diese Sekundärströmung ist im Zentrum nach außen und nach Umkehr in Wandnähe zurück gerichtet und bildet im entgegengesetzten Sinne rotierende Strömungsschleifen aus. Auch das Fluid, das der Achse der Schraubenlinie am nächsten ist, ist einer größeren Zentrifugalkraft ausgesetzt als die Flüssigkeit, die von der Achse der Wendel am weitesten entfernt ist, wodurch die Ausbildung der genannten Sekundärströmungen noch unterstützt wird. Diese Sekundärströmungen können reduziert werden, indem der Abstand zwischen der inneren und der äußeren Wand des Strömungskanals möglichst gering gemacht wird. Deshalb muß die Hauptachse des rechteckigen Kanals im Wesentlichen parallel zur Achse der Schraubenlinie ausgerichtet sein. Diese Sekundärströmungen sind bei schlichter (laminarer) Strömung stärker ausgeprägt als bei turbulenter Strömung, weil bei schlichter Strömung das Geschwindigkeitsprofil über den Querschnitt des Rohres variiert, während es bei turbulenter Strömung im Wesentlichen flach ist, außer in der Grenzschicht.

Goertler-Wirbel können innerhalb einer Strömung durch einen Kanal, der einer Schraubenlinie folgt, ebenfalls erzeugt werden. Diese Wirbel sind ihrer Natur nach Taylorschen Wirbeln ähnlich und werden in der Grenzschicht an einer konkaven Wand erzeugt (der äußeren Hülse) und werden durch den Geschwindigkeitsgradienten über der Grenzschicht verursacht. Wenn die Strömung schlicht ist, wird der Geschwindigkeitsgradient überall im Kanal ungleich null sein und die Goertler-Wirbel werden sich von der äußeren Wand bis zu dem Punkt maximaler Geschwindigkeit erstrecken. Ein flaches Geschwindigkeitsprofil wird diese Wirbel im Körper der Strömung eliminieren und deren Existenz auf die laminare Teilschicht begrenzen. Dies ist nur erreichbar mit einem turbulenten Geschwindigkeitsprofil.

Turbulente Strömung erhöht die Durchmischung der vorseparierten oder stratifizierten Fluide und/oder Feststoffe und die in der turbulenten Strömung erzeugte Brownsche Bewegung kann die sehr kleinen Flüssigkeitsblasen oder festen Partikel daran hindern, zu einem gemeinsamen Ort zu wandern und zu agglomerieren. Darüber hinaus verursacht turbulente Strömung eine Vermischung im mikroskopischen Bereich, welche die Schichtung schwächen kann, während schlichte Strömung Wirbel und Sekundärströmungen im makroskopischen Bereich hervorruft, die sogar noch abträglicher sein können. Deshalb sollte die Strömung im Kanal im turbulenten. Bereich liegen, bei Kontrolle der Intensität der Turbulenz. Die Intensität der Turbulenz wird durch die Reibung und den Aufprall der Fluidpartikel auf die mikroskopischen Unebenheiten des Materials vergrößert, aus dem die Wände des Kanals geformt sind. Diese Partikel stoßen andere Partikel an, die näher am Kern liegen und erzeugen einen Dominoeffekt. Eine glatte Wand erzeugt eine geringere Turbulenz als eine rauhe Wand. Daher rührt die Wichtigkeit der Auswahl des Kanalwerkstoffs.

Turbulenz auf Grund der Oberflächenrauhigkeit kann überwunden werden, indem man die Strömung "hydraulisch glatt" hält, das heißt indem man zuläßt, daß die Höhe der schlichten Teilschicht die Höhe der Protuberanzen überschreitet, um einen "Belag" zwischen den Wänden des Kanals und dem Inneren der Strömung auszubilden. Der Schlag eines Fluidpartikels auf eine Protuberanz, entlang der Wand, wird gedämpft und in der schlichten Grenz- Teilschicht absorbiert, ohne das Innere der Strömung zu beeinflussen, wodurch die Reibungsverluste nur noch zu einer Funktion der Reynoldsschen Zahl gemacht werden (unabhängig von der Oberflächenrauhigkeit). Um eine "hydraulisch glatte" Strömung zu erhalten, muß die Reynoldssche Zahl der Reibungsturbulenz die folgende Ungleichung erfüllen

εν*/ν < 5

dabei sind

ε = die Oberflächenrauhigkeit des Materials

v = die Schubspannungsgeschwindigkeit

ν = die kinematische Viskosität des Fluids

dabei kann die Schubspannungsgeschwindigkeit ausgedrückt werden als:

ν* = 0,150u · (ν/γ)

dabei sind

u = die örtliche Geschwindigkeit

y = der Abstand zur Rohrwand

Auf Grund des Ähnlichkeitssatzes nach von Karman, für die Scherungsgeschwindigkeit in einem Rohr mit rundem Querschnitt, kann die örtliche Geschwindigkeit und der Abstand zur Rohrwand durch die Maximalgeschwindigkeit beziehungsweise den Rohrradius ersetzt werden, ohne den Wert der Scherungsgeschwindigkeit zu beeinflussen. Bei Anwendung des Energieerhaltungssatzes kann die maximale Geschwindigkeit ausgedrückt werden als Durchschnittsgeschwindigkeit der turbulenten Strömung im Rohr. Der Radius kann ebenfalls ersetzt werden, durch den halben hydraulischen Durchmesser, um eine Gleichung zu erhalten, die auf ein Rohr mit rechteckigem Querschnitt anwendbar ist und wo die Durchschnittsgeschwindigkeit leicht durch die Strömungsgeschwindigkeit ersetzt werden kann.

Aus der zuvor angegebenen Ungleichheit für die Definition der "hydraulisch glatten" Strömung folgt, daß die maximale zulässige Scherungsgeschwindigkeit unter dieser Bedingung ist:

ν* = 5ν/ε

Wenn die Art des Materials bekannt ist, das für die Kanalwände verwendet werden soll und die kinematische Viskosität des zu behandelnden Fluids bei einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit (basierend auf der Anwendung) kann man die exakten Mindestabmessungen des Kanals für eine vorher festgelegte Form des Querschnitts, durch Kombinieren der obigen Gleichung mit der Gleichung der Scherungsgeschwindigkeit erhalten, ausgedrückt als eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Deshalb wird man die kleinste mögliche Querschnittsfläche erhalten, die in der Lage ist, eine "hydraulisch glatte" Strömung mit der größten möglichen Geschwindigkeit bei der gewählten Geometrie (in unserem Falle lang, schmal, rechteckig, aus all den zuvor angegebenen Gründen).

Somit kann die Geschwindigkeit maximiert werden, um eine höhere Zentrifugalkraft zu erhalten, während die Reynoldssche Zahl minimiert wird und die Intensität der Turbulenz unter Kontrolle gehalten wird.

Wie dies oben diskutiert wurde, kann die spiralförmige Teilungseinrichtung 16 vorteilhafterweise durch ein Rohr gebildet werden, das mit einer konstanten Ganghöhe rundgebogen ist, die gleich der gewünschten Höhe des Kanals ist, und das sandwichartig zwischen zwei konzentrischen, zylindrischen oder konischen Platten 10, 12 angeordnet ist. In Fällen, wo eine konische Konfiguration verwendet wird, kann der maximale Halbwinkel des Konus bestimmt werden durch:

α = arctan (g/an)

dabei sind

α = der maximale Halbwinkel des Konus

g = die Beschleunigung auf Grund der Gravitation

an = die maximale Normalbeschleunigung beim minimalen Radius der Wendel.

In Kanälen mit rechteckigem Querschnitt treten immer sekundäre Strömungen in Richtung der Ecken, entlang der Halbwinkellinie und zurück, außen entlang der Kanten auf. Diese sekundären Strömungen bleiben bestehen, wenn die zwei kurzen Kanten durch Rohre ersetzt werden. Die Wahl eines rechteckigen Rohres mit einem großen Seitenverhältnis wird die Wirkungen dieser sekundären Strömungen jedoch auf die beiden Kanten des Kanals und somit ihre Wirkung auf den Hauptteil der Strömung beschränken.

Die Zentrifugalkraft kann auch maximiert werden, indem der Radius der Wendel minimiert wird. Bei der Ausführung mit einem Auslaß für leichte Flüssigkeiten am oberen Ende und einem Auslaß für schwere Flüssigkeiten am Boden, ohne durch die Mitte der Hülse führendes konzentrisches Rohr, sollte der minimale Radius im Wesentlichen gleich dem Radius des oberen Rohres sein, um ein "abdrosseln" der leichten Flüssigkeit zu vermeiden, wenn diese beginnt, sich durch die Mitte des Kegels nach oben zu bewegen. Bei der Ausführung, die ein konzentrisches Rohr 32 verwendet, das durch die Mitte des Kegels führt, das heißt, wenn auch Gase anwesend sind, ist der minimale Radius der inneren Kegel-/Zylinderwand 10 auch der äußere Radius des Annulus, der durch das konzentrische Rohr 32 und den Boden des inneren Kegels geformt wird und in dem die leichtere, separierte Flüssigkeit nach oben steigt. Wiederum sollte, um "abdrosseln" zu vermeiden, die minimale Querschnittsfläche des Annulus, im Wesentlichen gleich der Fläche des konzentrischen Rohres 32 sein. Diese Gleichheit ergibt den minimalen Radius des Kegels, wobei der Radius des konzentrischen Rohres sich so ergibt, daß der Fluß dort hindurch optimiert ist, wie dem auf diesem Gebiet erfahrenen Fachmann gut bekannt ist. Nachdem der minimale Radius bestimmt wurde, läßt sich die maximal zulässige Normalbeschleunigung ermitteln.

Wenn die Strömung am Boden des ringförmigen Raumes 34 austritt, setzt sie ihre rotierende Bewegung fort, während die leichtere Flüssigkeit durch den mittleren Bereich 26 extrahiert wird und die schwerere Flüssigkeits- /Feststoffmischung zur Außenseite schwingt, wenn sie zum Boden 22a der äußeren Hülse 22 wandert, die den Hydrozyklon umgibt. Die Mindesttiefe dieser Kammer sollte so sein, daß sich, je nachdem ob die schwere Flüssigkeits- /Feststoffmischung kontinuierlich oder chargenweise extrahiert wird, dort nicht mehr als drei (3) innere Kegelradien oder drei (3) ringförmige Räume vom Boden 34 des spiralförmigen Kanals 14 ansammeln, um das erneute mitreißen zu minimieren, abhängig davon, welche Konfiguration für die Extraktion leichter Flüssigkeit verwende t wird. Diese Parameter werden jedoch in Abhängigkeit von der Anwendung variieren.

Die Anzahl der Windungen innerhalb der Wendel stellt ebenfalls einen wichtigen Faktor bei der Trennung dar. Die Strömung muß voll entwickelt und frei von Anlaufeffekten sein, bevor man eine effektive Trennung erhält. Für die turbulente Strömung ist die Anlaufstrecke definiert als:

Le/Dh 40 bis 100

Weil der Einlaß 8 in den Hydrozyklon ein rundes Rohr ist und der Kanal rechteckig ist und ein großes Seitenverhältnis aufweist, wird ein glatter Übergangsbereich von einem runden Querschnitt 8 zu einem rechteckigen Querschnitt 11, hilfreich sein, um Anlaufstreckeneffekte zu minimieren. Der einfacheren Herstellung wegen kann der Strömungsübergang so geformt werden, daß er sich abrupt von einem runden Querschnitt 8 in einen quadratischen Querschnitt 9 ändert und dann zu dem Übergang mit rechteckigem Querschnitt 11 mit dem gewünschten Seitenverhältnis übergeht. Dieser Übergang wird geformt durch zwei konzentrische Zylinder mit einem Abstand dazwischen, der gleich der Breite des Strömungskanals ist und wo die innere Hülse schrittweise mit einem engeren Radius gerollt ist, um eine Anpassung zwischen der kreisförmigen und der rechteckigen Übergangsplatte zu bewirken. Das obere Ende des Übergangsbereichs ist mit einer ebenen horizontalen Platte abgedichtet und ebenso der Boden. Der Boden ist so geneigt, daß der Übergang von quadratisch zu rechteckig vorzugsweise bei einer Neigung von 15º erfolgt, dem für Diffusoren empfohlenen Winkel. Davon kann man jedoch dann absehen, wenn die Einfachheit der Herstellung betroffen ist, weil eine Veränderung der Geometrie des Querschnitts nicht immer zu einer Vergrößerung der Querschnittsfläche führt.

Aus diesem Grunde ist in dem Fall, wo ein reibungsloser Übergang vorliegt, die erforderliche Mindest-Anlaufstrecke gleich:

Le = 40Dh

Aus diesem Grunde ist die Mindestanzahl der Windungen, die erforderlich ist, um eine vollausgeprägte Strömung zu erhalten

Ω = 40Dh/2π

Man kann mit Sicherheit annehmen, daß oberhalb dieses Punktes eine effektive Trennung stattfindet. Die Anzahl der Windungen, die erforderlich ist, um eine ausreichende Trennung zu erreichen, hängt von mehreren Variablen ab, wie der Differenz der volumenbezogene Masse zwischen den zu trennenden Fluiden, ihren Viskositäten (insbesondere der des Trägerfluids) der Teilchengröße und der Grenzflächenspannung. Um zu vereinfachen, kann bei einer gegebenen Verteilung der Teilchengröße in einem bekannten Trägerfluid die radiale Endgeschwindigkeit der Kugel abgeschätzt werden. Wenn die Breite des Kanals und die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit bekannt sind, kann die Mindestanzahl der Windungen innerhalb der voll entwickelten Strömung abgeschätzt werden. Man nimmt an, daß eine Standardausführung mindestens sechs (6) Windungen haben muß.


Anspruch[de]

1. Hydrozyklon zum Herbeiführen einer Trennung eines aus mehreren Phasen zusammengesetzten Eingangsstromes, mit einer inneren Hülse (10), die sich konzentrisch im Inneren einer äußeren Hülse (12) befindet, zwischen beiden Hülsen (10, 12) ist ein ringförmiger Raum (14) konstanter Breite ausgebildet, eine tangential ausgerichtete Zuleitungseinrichtung (8) führt in den ringförmigen Raum (14), eine Auslaßeinrichtung (9) kommuniziert mit dem ringförmigen Raum (14), eine spiralförmige Einrichtung (16), die innerhalb des ringförmigen Raumes (14) angeordnet ist, bildet eine Brücke zwischen der inneren Hülse (10) und der äußeren Hülse (12) und definiert einen diskreten spiralförmigen Weg zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der spiralförmigen Einrichtung (16) innerhalb des ringförmigen Raumes (14), der spiralförmige Weg wird seitlich durch die äußere Wand (44) der inneren Hülse (10) und die innere Wand (46) der äußeren Hülse (12) definiert, und in Längsrichtung nach oben hin, durch eine untere Fläche (42) eines ersten Teils der spiralförmigen Einrichtung (16) und nach unten hin, durch eine obere Fläche (40) eines nachfolgenden wendelförmigen Teils der spiralförmigen Einrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) durch ein gewendeltes Längenstück einer Struktur geformt wird, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

2. Hydrozyklon nach Anspruch 1, wobei die Zuleitungseinrichtung (8) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und wobei eine Übergangseinrichtung (9) verbindend zwischen der Zuleitungseinrichtung (8) und einem Eintrittspunkt in den ringförmigen Raum (14) vorgesehen ist, wobei der Querschnitt eines Strömungsweges des Eingangsstromes von einem kreisförmigen zu einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt verändert wird, wobei die Länge des rechteckigen Querschnitts parallel zur Achse der beiden Hülsen (10, 12) größer als dessen Breite ist, wobei die innere Hülse (10) und die äußere Hülse (12) beide als stumpfe Kegel geformt sind, die in einer vom Einlaß wegführenden Richtung spitz zulaufen.

3. Hydrozyklon nach Anspruch 2, wobei die innere Hülse (10) und die äußere Hülse (12) im Gebiet des Übergangsbereichs zylindrisch sind, und in einem Gebiet unterhalb des Übergangsbereichs als stumpfe Kegel geformt sind, die in einer vom Einlaß wegführenden Richtung spitz zulaufen.

4. Hydrozyklon nach Anspruch 1, wobei der spiralförmige Weg ein hohles Rohr ist, eine äußere Wand des Rohres derart wirkt, daß sie den spiralförmigen Weg als die kürzeren Seiten des im wesentlichen rechteckigen Querschnitts definiert.

5. Hydrozyklon nach Anspruch 4, wobei das hohle Rohr Rohrdurchbrüche (50) aufweist, die den ringförmigen Raum (14) innerhalb des spiralförmigen Weges, der durch die Außenseite des Rohres definiert ist, mit dem hohlen Inneren (52) des Rohres verbinden, um dort hindurch den Durchtritt von Gasen zu gestatten, wodurch das spiralförmige Rohr so wirkt, daß die Gase im Gegenstrom nach oben getragen werden, in bezug auf den nach unten gerichteten, spiralförmigen Einlaßstrom innerhalb des spiralförmigen Weges.

6. Hydrozyklon nach Anspruch 5, wobei die Rohrdurchbrüche (50) eine Vielzahl von Öffnungen umfassen, die entlang einer unteren Hälfte des Rohres angeordnet sind, das als die obere Seite des im wesentlichen rechteckigen Querschnitts des spiralförmigen Weges wirkt.

7. Hydrozyklon nach Anspruch 6, wobei die Öffnungen in Richtung zur äußeren Wand der inneren Hülse (10) angeordnet sind.

8. Hydrozyklon nach Anspruch 7, wobei die Öffnungen in einem Winkel von etwa 45º zu einem horizontalen Durchmesser des Rohres angeordnet sind.

9. Hydrozyklon nach Anspruch 1, wobei die innere Hülse (10) und die äußere Hülse (12) beide als stumpfe Kegel geformt sind, die nach unten spitz zulaufen.

10. Hydrozyklon nach Anspruch 1, wobei der spiralförmige Weg im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei eine Länge des Querschnitts in einer axialen Richtung der Hülsen (10, 12) größer als eine Breite ist, wobei das Verhältnis der Länge des rechteckigen Querschnitts zur Breite mindestens 2 : 1 beträgt.

11. Hydrozyklon nach Anspruch 1, wobei eine tangential ausgerichtete Zuleitungseinrichtung in einen Übergangsbereich des ringförmigen Raumes (14) hineinführt und eine Auslaßeinrichtung mit dem ringförmigen Raum (14) kommuniziert, wobei die innere Hülse (10) und die äußere Hülse (12) im Gebiet des Übergangsbereiches zylindrisch und in einem Gebiet unterhalb des Übergangsbereiches als stumpfe Kegel geformt sind, die in einer vom Einlaß wegführenden Richtung spitz zulaufen.

12. Separatoranordnung zum Separieren eines aus mehreren Phasen zusammengesetzten Eingangsstromes, der sich mindestens aus einem Gas und einer Flüssigkeit zusammensetzt, mit einem Hydrozyklon (2), der mit einem sekundären Separator (60) gekoppelt ist, wobei der Hydrozyklon nach Anspruch 1 weiter umfaßt, einen Steigrohranschluß (28), um eine leichte Fraktion, die im Hydrozyklon (2) aus dem Eingangsstrom separiert wurde, aus einem Sammelbereich (26), der zur inneren Hülse (10) radial nach innen angeordnet ist, zu entfernen und von einem Punkt oberhalb eines Flüssigkeitsbetriebsniveaus des Hydrozyklons (2) nach oben in den sekundären Separator (60) zu leiten, einen Rücklaufanschluß (34), der vom sekundären Separator (60) nach unten in den Hydrozyklon (2) führt und der einen Austrittspunkt unterhalb des Flüssigkeitsbetriebsniveaus hat.

13. Separatoranordnung nach Anspruch 12, wobei der Steigrohranschluß als ein ringförmiger Raum zwischen einer äußeren Säule und einer inneren Säule ausgebildet ist, der den Rücklaufanschluß enthält.

14. Separatoranordnung nach Anspruch 12, wobei der sekundäre Separator (69) eine äußere ringförmige Kammer (85) umfaßt, die an ihrem oberen Ende geschlossen ist, die äußere ringförmige Kammer (85) mit einer konischen, inneren ringförmigen Kammer (80) kommuniziert, die eine konstante radiale Breite aufweist und die koaxial zur äußeren ringförmigen Kammer (85) verläuft, mit Hilfe von Übergangseinrichtungen (76), die an einer konischen Hülse (74) angeordnet sind, die eine innere Wand der äußeren ringförmigen Kammer (85) und eine äußere Wand der inneren ringförmigen Kammer (80) definiert, die innere ringförmige Kammer (80), an ihrem stumpfen Boden mit dem Auslaß (34) für den Flüssigkeitsrücklauf kommuniziert, die innere ringförmige Kammer (80) mit einer nach oben spitz zulaufenden konischen Kammer (82) kommuniziert, die koaxial in der inneren ringförmigen Kammer (80) angeordnet und an ihrem einen offenen Boden abgestumpft ist, um die Verbindung mit der inneren ringförmigen Kammer (80) zur Verfügung zu stellen, um den Durchtritt der separierten Gasfraktion und/oder leichten Flüssigkeitsfraktion in die konische Kammer (82) und hinaus durch einen Auslaß zu ermöglichen, der vom oberen Ende der konischen Kammer (82) hinausführt.

15. Separator nach Anspruch 14, wobei die Übergangseinrichtungen (76) als horizontal ausgerichtete Flügel ausgebildet sind, die den Fluß tangential in die innere ringförmige Kammer (80) leiten.







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