Vorrichtung zum Mischen und Trennen von Materialien
Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Vorrichtung zum Mischen und Trennen von Materialien.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine längliche Kammer mit einem ringförmigen Querschnitt enthält, von welcher mindestens ein Teil von mindestens einer Wand für Medien porös ist, wobei Mittel vorgesehen sind, um das Material längs der erwähnten Reaktionskammer zu fördern.
Zweckmässig sind zusätzliche Mittel vorgesehen, um das Material auch in einer von der Längsrichtung verschiedenen Richtung zu fördern.
Eine oder beide Wände der erwähnten Reaktionskammer können relativ zueinander drehbar sein, wobei auf der Oberfläche von einer von beiden Wänden schraubenförmige Gewindegänge und/oder Rinnen vorgesehen sind.
Bei einer zweckmässigen Ausführungsform der Vorrichtung ist dieselbe derart ausgebildet, dass sie einen aussen mit schraubenförmigem Gewinde versehenen Schneckenteil aufweist, welcher koaxial innerhalb einer mit auf der Innenseite mit schraubenförmigem Gewinde versehenen Trommel angeordnet ist, wobei die Gewinde der erwähnten Teile über mindestens einen Teil der Länge dieser Teile gegenläufig sind und wobei die Querschnittsflächen von mindestens einem Teil der Rinnen, die durch die Gewindegänge der erwähnten Teile gebildet sind, im entgegengesetzten Sinne zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert variieren, das Ganze derart, dass wenigstens ein Teil von einem oder beiden erwähnten Teilen porös ist, so dass ein Medium hindurchgehen kann.
Zweckmässig weisen die porösen Teile die Form eines oder mehrerer Wendel auf, welche sowohl im Schnecken- als auch im Trommelteil angeordnet sind.
Sowohl der Schneckenteil, wie auch die Trommel können beide stationär sein. Es kann aber auch nur der eine oder aber es können beide Teile rotieren.
Die Drehgeschwindigkeiten des einen oder beider Teile können fest oder veränderlich sein. Zweckmässig ist jedoch der Schneckenteil als Rotor und die Trommel als Stator ausgebildet.
Die Konstruktion der Vorrichtung kann in vielen Beziehungen geändert werden. Es kann z. B. eine Zahl von Abschnitten, in welchen die Querschnittsflächen der Rinnen variiert werden, vorgesehen werden. Die Querschnittsflächen der Rinnen können dadurch geändert werden, dass die Breite oder die Tiefe derselben geändert wird. Es ist jedoch zweckmässig, die Tiefe der Rinnen zu variieren. Vorzugsweise ergibt sich die maximale Querschnittsfläche durch diejenige Rinne, die die volle ringförmige Tiefe des Durchgangs aufweist und die minimale Querschnittsfläche ergibt sich durch die gegen Null abnehmende Rinnentiefe.
Es ist zweckmässig, die Querschnittsflächen dieser Rinnen des Schneckenteiles bzw. der Trommel derart zu variieren, dass das längs des Kanals, welcher durch das Zusammenwirken der Windungen des Schneckenteiles und der Trommel bestimmt wird, strömende Material von den Rinnen des einen Teiles in diejenigen des anderen Teiles gefördert wird, und wiederum zurück in den ersten Teil, bevor es aus der Vorrichtung austritt. Beim Gebrauch einer solchen Vorrichtung ist es zweckmässig, dass zwecks einer guten Förderung eines Feststoffes das Material in den Rinnen des Schneckenteiles endet, so dass ein genauer und gleichmässiger Vorschub am Auslassende erhalten wird.
Es wird auch zweckmässig sein, dass das Spiel zwischen den Kämmen der jeweiligen Windungen des Schneckenteiles und der Trommel durch eine axiale Verstellung zwischen diesen Teilen eingestellt werden kann. Diese Einstellung des Spieles kann dazu benützt werden, um den Grad des Mischens zu ändern, oder um die Beschaffenheit und die Dicke der Feststoffschicht, die in Berührung mit der porösen Oberfläche steht, zu beeinflussen, oder schliesslich um die Abnützung der Gewindegänge zu kompensieren.
Der poröse Teil bzw. die porösen Teile des bzw. der erwähnten Teile können einen Teil oder das Ganze von einem oder von beiden Kamm- und/oder Mulden-Teilen von einem oder von beiden der besagten Schnecken- und Trommelteile umfassen.
Wenn einer oder mehrere Teile der Schnecke porös sind, dann sind innerhalb des erwähnten Schneckenteiles Durchgänge vorgesehen, welche sich von dem besagten porösen Teil bzw. den porösen Teilen zum zugehörigen Austritt bzw. Eintritt des Mediums erstrecken.
Wenn einer oder mehrere Teile der Trommel porös sind, kann die äussere Oberfläche eines jeden der besagten porösen Teile mit Mitteln versehen sein, welche das durch den besagten porösen Teil oder Teile hindurchgehende Medium sammeln oder verteilen. Die Mittel zum Sammeln und Verteilen können getrennt und verschieden sein, oder sie können in offener oder regelbarer Verbindung miteinander stehen. Sie können auch in miteinander in Verbindung stehenden Gruppen, oder in einer aufeinanderfolgenden Reihe angeordnet sein.
Die Beschaffenheit der porösen Oberfläche kann je nach der Beschaffenheit der zu mischenden oder zu trennenden Zusammensetzungen geändert werden.
Wenn z. B. sehr feine feste Teilchen, welchen in in dustriellen Verfahren öfters begegnet wird, nicht durch die besagten porösen Teile passieren dürfen, werden sehr kleine Poren verwendet.
Das benützte Material für die Herstellung des porösen Teiles bzw. der porösen Teile der Vorrichtung kann poröses Metall sein, wie es durch die Pall Corporation in den USA auf dem Markt angeboten wird. Es kann aber auch jedes andere poröse Metall benützt werden. Bei Verwendung dieses porösen Metalls der Pall Corporation können noch Teilchen von der Grösse von etwa 1 Mikron zurückgehalten werden. Es können andere poröse Materialien, wie synthetische Harze oder keramische Materialien verwendet werden.
Da wo es erwünscht ist, die Temperatur zu regeln, z. B. bei Auslageverfahren, bei welchen die Art und die Menge des abzusondernden Materiales sehr empfindlich gegen Temperaturänderungen ist, kann die erfindungsgemässe Vorrichtung Heiz- oder Kühlmittel umfassen, z. B. einen Heiz oder Kühlmantel, der mit Dampf oder Ö1 gespiesen wird, oder beliebige herkömmliche Heiz- oder Kühlmittel.
Wenn es gewünscht wird, kann die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung so ausgeführt werden, dass der Radius sowohl des Schneckenteiles als auch der Trommel gegen das Auslassende abnimmt.
Dies kann eine Reduktion der Querschnittsfläche des Durchganges bewirken, welcher durch das Zusammenwirken der Windungen der besagten Teile be stimmt ist. Dadurch wird ein zunehmender Druck auf die sich längs des Durchganges bewegende Mischung erzeugt.
Die bei der Konstruktion der Vorrichtung verwendeten Materialien hängen in grossem Ausmasse von der Natur des Materials ab, welches in der Vorrichtung zu mischen oder zu trennen ist. Sie sind aber vorzugsweise korrosionsfest und/oder verschleissfest.
Andernfalls werden die Oberflächen der Vorrichtung, welche mit den durchgehenden Materialien in Berührung kommen, mit tDberzügen aus Materialien versehen, welche die erwähnten Eigenschaften besitzen.
Ein wichtiger Vorteil der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist der, dass das zu behandelnde Material dem porösen Material in einer Schichtdicke präsentiert wird, welche durch die Geometrie der Kammer vorbestimmt wird, z. B. durch die Trommel und die Schnecke, wo solche die Kammer enthalten. Da die oben beschriebene Vorrichtung es ermöglicht, beständig eine neue Schicht von zu behandelndem Material oder eine Schicht von vorbestimmter Dicke mit den porösen Teilen zusammenzubringen, ist die Menge des zu trennenden oder zu mischenden Materiales pro Flächeneinheit der porösen Oberfläche sehr gross. Sie übersteigt die mit bisher bekannten Vorrichtungen erreichbare Menge ganz beträchtlich. Es ist deshalb möglich, das gewünschte Mass von Mischung und Trennung über eine verhältnismässig kurze Distanz zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung liegt darin, dass sie über einen weiten Temperatur- und Druckbereich betrieben werden kann. Weiterhin kann die Temperatur und/oder der Druck konstant oder veränderlich gehalten werden. Deshalb ist eine grosse Variation des Druck-Gradienten möglich, welche im Falle einer Filtration einen Ausstoss des Kuchens bei Atmosphärendruck gestattet.
Es ist auch möglich, die Vorrichtung durch Voreinstellung der Durchgangsmenge und des Drukkes automatisch zu regeln.
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung, welche für die Trennung einer flüssigen von einer flüssigen/festen Mischung verwendet werden kann,
Fig. 2 ist ein Detail eines Teiles der Vorrichtung gemäss Fig. 1,
Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1,
Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, welche für die Mischung eines Gases und einer Flüssigkeit, oder eines Gases und einer flüssigen/festen Mischung verwendet werden kann,
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Form einer Misch-Anlage illustriert, welche die Mischvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 1 bis 3 ist die mit 2 bezeichnete Filtriereinheit an einem Gestell 4 montiert, welches eine Reihe von Konsolen, Kanälen und Winkeleisen umfasst. Um die nötige Steifigkeit zu erhalten, ist das Gestell mit dem Boden verschraubt. Der Filtrierteil der Vorrichtung enthält einen Schneckenteil 6, welcher drehbar und koaxial mit einer Trommel 8 montiert ist, welche starr am Gestell 4 befestigt ist. Im drehbaren Schneckenteil 6 ist eine schraubenförmige Rinne 10 vorgesehen, während auf der Trommel 8 eine gegenhändige schraubenförmige Windung 12 vorgesehen ist. Eine Reihe von schraubenförmigen Rinnen 14 und 16 ist in den Schneckenteil bzw. in der Trommel gebildet.
Über die erwähnten Rinnen 14 und 16 sind schraubenförmig verlaufende schmale Streifen 18 aus einem porösen Metall angeordnet. Im Schneckenteil 6 sind Löcher 20 vorgesehen, welche die schraubenförmigen Rinnen 16 mit dem hohlen Innern 17 des Schneckenteiles 6 verbinden. Die schraubenförmigen Rinnen in der Trommel 8 stehen über eine Reihe von Löchern 24 (siehe Fig. 3) in der letzteren mit einem Flüssigkeits-Auslass 22 in Verbindung.
Ein Flüssigkeits-Auslass 26 ist an einem Ende des hohlen Innern 17 des Schneckenteiles 6 vorgesehen und er kann nach Wahl, entweder mit dem Flüssigkeitsauslass 28 oder mit dem hohlen zentralen Glied 30 des Schneckenteiles 6 verbunden werden.
Ein Druck-Ausgleichstück 32 ist als Fortsetzung des Schneckenteiles und der Trommel ausgebildet, mit dem Unterschied jedoch, dass es keine schmale Streifen 18 aus porösem Metall aufweist und keine Löcher 20 und 24 in den Fortsetzungen des Schnekkenteiles 6 bzw. der Trommel 8 vorgesehen sind.
Eine Starterplatte 32 ist koaxial um die Welle 34 montiert und kann durch Pressen 36 zwischen der in Fig. 1 dargestellten Stellung und einer Stellung, in welcher sie mit dem Ende 38 der Trommel 8 nicht mehr in Berührung ist, bewegt werden.
Der Schneckenteil wird mittels eines Motors 40 über die hohle Antriebswelle 42 und Welle 44, welche im Lager 46 montiert ist, gedreht.
Eine axiale Einstellung des Schneckenteiles 6 ist durch die Drehung der Schraubenspindel 48 möglich, welche je nach der Drehrichtung den Schneckenteil 6 entweder aus der Trommel 8 heraus- oder in dieselbe hineinbewegt. Auf diese Weise kann eine Einstellung zwischen den Gewindegängen auf dem Schneckenteil und der Trommel erreicht werden.
Bei 50 ist eine Flüssigkeitsdichtung vorgesehen, damit die durch den Einlass 52 in die Filtriervorrichtung eintretende Mischung nicht in das Lager 46 eindringt. Ein Auslass für die Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsdichtung ist bei 52' vorgesehen.
Andere Dichtungen in dem Apparat sind entweder O-Ringe 54 oder Öldichtungen 56.
Im Betrieb wird die Starterplatte 32 zunächst durch die Pressen 36 in die Stellung gemäss Fig. 1 bewegt und das zu filtrierende Material wird durch den Einlass 52 in die Filtriervorrichtung eingeführt.
Der Schneckenteil 6 wird durch den Motor 40 in Drehung versetzt und die in die Filtriervorrichtung 2 eingeführte Mischung wird auf diese Weise in Längsrichtung der Vorrichtung gegen die Starterplatte 32 bewegt und zwar in dem Kanal, welcher durch das Zusammenwirken der schraubenförmigen, auf dem Schneckenteil 6 gebildeten Rinnen 10, und den schraubenförmigen, auf der Trommel 8 gebildeten Rinnen 12 gebildet wird. Während das Material längs der Filtriereinheit 2 bewegt wird, wird es aus den schraubenförmigen Rinnen 10 in die schraubenförmigen Rinnen 12 überführt und zwar zufolge der sich zwischen einem Maximum und einem Minimum ändernden Querschnitt dieser schraubenförmigen Rinnen.
Wenn der Druck in der Vorrichtung bis auf die gewünschte Höhe gebracht worden ist, kann die Starterplatte 32 aus der Stellung gemäss Fig. 1 in eine Stellung bewegt werden, welche vom Ende 38 der Trommel 8 entfernt ist, indem der Druck der sie in ihrer Lage haltenden Pressen vermindert wird.
Die Flüssigkeit der Mischung passiert durch die porösen Metallsstreifen 18 über die Löcher 20 zum Auslass 26 und über die Löcher 24 zum Flüssigkeitsauslass 22. Vom Auslass 26 kann die Flüssigkeit entweder in den Flüssigkeitsauslass 28 geleitet werden, von welchem sie in den Flüssigkeitsauslass 52 geht, oder sie fliesst in die Hohlwelle 30 und wird aus dem Ende der Hohlwelle 34 entfernt. Um Flüssigkeit auf diese zweite Weise entfernen zu können, muss am Ende der Hohlwelle 34 ein Absaugen erfolgen.
Wenn die aus der Mischung entfernte Flüssigkeit und die in der Flüssigkeitsdichtung 50 benützte Flüssigkeit nicht weiter benötigt wird, so wird das Filtrat (das ist die Flüssigkeit aus der Mischung) von der Mitte des Schneckenteiles 6 durch die Auslässe 26 und 28 in die Flüssigkeit geleitet, die von der Flüssigkeitsdichtung kommt und zusammen mit derselben durch den Auslass 52 abgelassen wird. Wenn es jedoch nötig ist, das Fluidum und die Flüssigkeit getrennt zu halten, so muss das Filtrat durch Anwendung einer Saugwirkung auf das Ende der Hohlwelle 34 entfernt werden, wodurch das Filtrat über die Hohlwelle 30 entfernt wird.
Das feste Material aus der festen/ flüssigen Mischung geht direkt längs der Filtriervorrichtung und wird durch den Raum entfernt, der von der Starterplatte 32 freigegeben wird, wenn die letztere von ihrer Stellung vom Ende 38 weg gegen den Trommelteil 8 bewegt worden ist.
Fig. 4 stellt eine Vorrichtung dar, die für ein Gemisch eines Gases und einer Flüssigkeit, oder eines Gases und eines flüssigen/festen Stoffes geeignet ist.
Bei dieser Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Gas-Einlass 102 (Fig. 5) auf, welcher mit der Gasleitung 104 in der hohlen Antriebswelle 106 kommuniziert. Diese Gasleitung 104 steht mit ihrem anderen Ende in Verbindung mit einer Reihe von Gasdüsen 108, welche in einem drehbaren Schnekkenteil 110 angeordnet sind. Der Schneckenteil 110 umfasst ein zentrales Glied 112, in welchem die Gasdüsen montiert sind, und einen Mündungsteil 114, in welchem eine Zahl von Löchern 116 vorgesehen ist, welche mit den erwähnten Gasdüsen 108 in Verbindung stehen. Das zentrale Glied 112 ist lösbar innerhalb des Mündungsteiles 114 angeordnet. Die Enden der Löcher 116, die von den mit den Gasdüsen 108 kommunizierenden Enden abgekehrt sind, sind durch einen schmalen, schraubenförmigen Streifen aus rostfreiem Stahl bedeckt.
Im Mündungsstück 114 des Schneckenteiles 110 ist eine schraubenförmige Rinne
118 vorgesehen. Der Schneckenteil 110 ist koaxial innerhalb der Trommel 120 montiert, in welcher eine schraubenförmige Rinne 122 gebildet ist. Die Querschnittsflächen der schraubenförmigen Rinnen 118 und 122 variieren in entgegengesetztem Sinne zwischen einem Maximum und einem Minimum.
An einem Ende der Trommel 120 ist ein Flüssigkeitseinlass 124 vorgesehen, während am entgegengesetzten Ende dieser Trommel 120 ein Auslass 126 vorgesehen ist. Ein Temperaturfühler oder ein Thermoelement 128 und ein Proben-Nadelventil 130 sind am Flüssigkeitseinlass 124 vorgesehen, während ein Temperaturfühler oder Thermoelement 132 (Fig. 5), sowie eine Proben-Nadelbüchse 134 am Auslass 126 vorgesehen sind.
In der Trommel 120 ist eine Reihe von Patronen Heizelementen 136 und eine Reihe von eingeformten Nuten 138 für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen.
Der Misch-Abschnitt der Vorrichtung ist mit einer Auskleidung 139 versehen.
Der Schneckenteil wird über die Hohlwelle 106 durch einen im gewählten Zeitpunkt eingekoppelten Riemenscheiben-Antrieb 140 (Fig. 5) angetrieben, welcher seinerseits durch einen nicht dargestellten Motor, z. B. durch einen 5 PS-Getriebemotor angetrieben wird. Die Antriebs-Hohlwelle 106 ist gegen den Zutritt von Gas und Flüssigkeit durch eine rotierende Dichtungsfläche 142 abgedichtet, wobei ein Zwischenraum 144 für die Zirkulation einer Kühl Flüssigkeit vorgesehen ist.
Zur Erleichterung der Bedienung kann das Aggregat auf einem beweglichen Gestell montiert sein, welches nicht dargestellte Pressen zum Heben und Ausrichten des Systems während des Gebrauchs umfasst.
Beim Betrieb tritt das Gas in den rotierenden Einlass 102 ein und passiert längs der Gasleitung 104 durch Gasdüsen 108 und poröse Streifen 109 in den Durchgang, welcher durch das Zusammenwirken der schraubenförmigen Rinnen 118 und 122 gebildet ist.
Flüssigkeit oder Flüssigkeit/Feststoffgemisch gelangt über den Einlass 124 in die Vorrichtung und geht vom Einlassende der Vorrichtung bis zum Auslassende durch die schraubenförmigen Rinnen 118 und 122. Während des Durchgangs der Flüssigkeit oder des Flüssigkeit'Feststoffgemisches durch die Vorrichtung gelangt das Medium von den schraubenförmigen Rinnen 118, welche im Schneckenteil 110 gebildet sind, zu den schraubenförmigen Rinnen 122 in der Trommel 120. Hierbei wird das Gas gleichzeitig volIkommen vom Gas, welches durch die porösen Streifen 109 in die Vorrichtung eintritt, durchdrungen.
Das Produkt des Mischprozesses wird durch den
Auslass 126 zu einem nicht dargestellten Lagertank oder zu einer weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Behandlungsanlage entladen.
Die in Fig. 5 schematisch dargestellte Anlage dient zur Mischung eines Gases mit einer Flüssigkeit oder einem Flüssigkeit/Feststoffgemisch. Diese Anlage umfasst eine Druckgas-Quelle 202, eine Mischvorrichtung 206, ein Reservoir 208 für Flüssigkeit oder ein Flüssigkeit/Feststoffgemisch, ein Leitungsrohr 210, welches das besagte Reservoir 208 mit der Mischvorrichtung 206 verbindet und ein weiteres Leitungsrohr 212, welches das Entlade-Ende der Mischvorrichtung 206 mit einem Behälter 214 verbindet. An verschiedenen Stellen der Anlage sind Druckmesser, Temperaturmesser, Strömungsmesser, Druck-Reduzierventile, Überdruckventile und Schliessventile vorgesehen, so dass es möglich ist, das Mischverfahren innert vorbestimmter Grenzen zu kontrollieren.
Ein nicht dargestellter Mischer, der vom Motor 218 angetrieben ist, dient zum Mischen des Inhalts des Reservoirs 208, bevor er in die Mischvorrichtung 206 eingeführt wird. Es sind zwei Kühlsysteme vorgesehen, eines dargestellt durch die strichpunktierte Linie 220, zum Kühlen des Mischerteils 222 der Mischvorrichtung 206, das andere dargestellt durch die strichpunktierte Linie 224 zum Kühlen der Dichtung 142, wie dies schon in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurde. Um zu verhindern, dass im Kühlsystem 224 das Kühlwasser das adsorbierte Reaktionsgas in die Abflussrohre mitführt, wird ein kleiner, abgedichteter Absetztank in das System eingeschlossen. Jedes ausgeschiedene Gas muss auf geeignete Weise abgeführt werden.
Heizmäntel oder -ringe 226 und 228 können gewünschtenfalls für die Heizung des Inhalts des Behälters 214 und des Reservoirs 208 vorgesehen werden.
Beim Betrieb geht das Gas von der Druckgasquelle 202 über das Druckreduzierventil 216 in das Rohr 204 und wird der Mischvorrichtung 206 in abgemessener Menge zugeführt. Gleichzeitig wird die Flüssigkeit bzw. das Flüssigkeit/Feststoffgemisch vom Reservoir 208 durch das Rohr 210 in die Mischvorrichtung 206 überführt. Das Produkt des Mischverfahrens, welches im Mischerteil 222 der oben in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen Mischvorrichtung 206 stattfindet, geht durch das Rohr 212 in den Behälter 214. Das Reservoir 208 und der Produktbehälter 214 sind durch ein passendes Gas unter Druck gesetzt, z. B. von der Druckquelle 202 her über das Rohr 232. Während des Betriebes des Mischers wird Wasser in das Kühlsystem 224 eingeleitet und, gewünschtenfalls auch in das Kühlsystem 220.
Relative Drücke zwischen den Einlass- und Auslass-Stufen des Mischers werden anfangs von Hand eingestellt und während des Betriebes durch eine passende Dif ferential-Drucksteuervorrichtung automatisch aufrechterhalten. Der Antrieb erfolgt durch einen im gewählten Zeitpunkt einsetzenden Riemen und Riemenscheibe von einem nicht dargestellten Motor, z. B. von einem 5 PS-Getriebemotor. Geschwindigkeitsänderungen können durch Montage von Wechselriemenscheiben erzielt werden.
Das in Fig. 5 gezeigte Schaltschema ist speziell für die Reaktion von Wasserstoff mit einer Glukose Lösung oder für die Reaktion von Kohlendioxyd mit wasserfreiem Natriumphenolat zweckmässig. Für jedes von diesen Verfahren ist zweckmässig ein Druck von 17,57 kg/cm2 und eine Temperatur von 250C C aufrechtzuerhalten. Eine Durchgangsmenge des Produktes von etwa 4,53 kg pro Stunde (spezifisches Gewicht zwischen 0,6 und 1,2) wird aufrechterhalten.