EP1232794A1 - Verfahren zum Trennen eines Mehrphasengemisches und Dekantierzentrifungensystem zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Trennen eines Mehrphasengemisches und Dekantierzentrifungensystem zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP1232794A1
EP1232794A1 EP01102962A EP01102962A EP1232794A1 EP 1232794 A1 EP1232794 A1 EP 1232794A1 EP 01102962 A EP01102962 A EP 01102962A EP 01102962 A EP01102962 A EP 01102962A EP 1232794 A1 EP1232794 A1 EP 1232794A1
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EP
European Patent Office
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weir
pond depth
centrifuge
liquid
speed
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Markus Fleuter
Andreas Brinkmann
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GEA Mechanical Equipment GmbH
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Westfalia Separator Industry GmbH
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    • B04B1/20—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles discharging solid particles from the bowl by a conveying screw coaxial with the bowl axis and rotating relatively to the bowl
    • B04B2001/2083—Configuration of liquid outlets

Definitions

  • the pond depth is defined as the difference between external and inner diameter of the rotating in the centrifuge drum Liquid ring.
  • a decanter centrifuge with at least partial hydraulic Promote how you perform the procedure is assumed is known from DE 43 20 265 C2.
  • a liquid ring is placed in the rotating centrifuge drum between the submersible and the liquid weir certain fill level, the so-called pond depth and thus a hydrostatic due to the liquid phase Generates pressure that contributes to the discharge of the dry phase.
  • the hydraulic delivery can be in addition to or instead of the discharge with a rotatable with differential speed Snail done.
  • the weir is essentially in two parts.
  • a Weir plate closes the cylindrical shell of the centrifuge drum and rotates with it. At least she is a passage for draining a liquid the centrifuge drum.
  • the weir plate is a parallel one Throttle disc associated with the axially displaceable the stationary storage of the rotatable centrifuge drum is arranged. Between the rotating weir plate and the stationary throttle disc forms a gap that extends in the radial direction and through which the liquid phase flung out of the centrifuge drum becomes.
  • the axial displacement of the throttle disc can Weir gap width can be varied. By reducing the The width of the weir gap becomes a pressure increase in the liquid phase causes that this increases the dry phase pushes out of the centrifuge drum. The liquid phase partially penetrates into the dry phase and reduces its concentration of dry matter. Vice versa an expansion of the weir gap causes a reduction in pressure, reduced hydraulic delivery and finally an increase in dry matter concentration in the dry phase.
  • This liquid weir has for a decanter centrifuge has proven itself as it is with a rotating centrifuge drum is adjustable and so a regulation of the dry matter concentration allowed over the weir gap.
  • a regulation of the weir gap width can be based on concentration and Amount changes in the supplied multi-phase mixture in ongoing process.
  • a pneumatic liquid weir is known from DE 195 00 600, by blowing compressed gas into the weir gap the flow resistance of the liquid phase in the weir is increased, which increases the pond depth. Also with this training of the liquid weir is a regulation the dry matter concentration through a weir adjustment possible during operation.
  • a decanter with to operate a plunger and a liquid weir is that in a base load operation with largely constant Amount and concentration of the feed an optimization can be made in terms of energy consumption and that at the same time a willingness to react to sudden Changes in the inflow is given by the fact that the weir in returned a middle position defined by the tolerance range from which it becomes both the dry phase thicken more than it can further dilute.
  • a decanter centrifuge is used, the liquid weir of which consists of a weir plate with at least one liquid recess and a throttle plate, which is mounted in a stationary manner with a weir gap opposite the weir plate and is axially displaceable.
  • the pond depth x T must be reduced by increasing the weir gap width x W and increasing by reducing the weir gap width x W.
  • a corresponding weir gap width tolerance range with a lower weir gap width x W, U and an upper weir gap width x W, O is assigned to the pond depth tolerance range.
  • a decanter centrifuge system with the features of the preamble of claim 17 is from the publication "Intelligent measurement and control technology for optimized process control in wastewater treatment” (DR. H.-J. BEYER / M. FLEUTER, Westfalia Separator Industry GmbH in: 4. Mersebuger Conference automation, measuring methods and experiments in mechanical process engineering, November 1999).
  • the pond depth x T is adjusted depending on the dry matter concentration c TS . This enables extensive automation of the phase separation process.
  • operator intervention is still required if there are major changes in the type, quantity and / or concentration of the incoming product and the weir has reached a limit position from which it can no longer react to the changes that have occurred.
  • high energy consumption can be determined in the ongoing process due to the high drum speeds.
  • a decanter centrifuge system of the type mentioned above, which is characterized by a speed control device for controlling the drum speed n Z as a function of the pond depth x T and the dry matter concentration c TS , with a concentration signal input (221), a pond depth signal input (222) and a speed control signal output (224).
  • the weir control system can also the dry matter concentration by changing the drum speed regulated or at least reduced to the extent that the dry matter remains flowable and clogging the discharge lines is prevented.
  • a sensor device 60 is arranged on the dry substance discharge line 27, with which a dry substance concentration c TS can be measured in the dry phase drawn off there.
  • the measurement signal from the sensor device 60 is applied to the concentration signal input 211 of a weir control device 210.
  • a weir gap width control signal with which the weir adjustment device 35 is acted on, is output at its control output 214.
  • the design of the weir control device 210 as a PI controller has proven to be particularly suitable. Due to a high integrating component, control deviations can initially be averaged over a period of time, so that the decanting centrifuge system does not swing up.
  • the outer The circumference of the exchange disk 14 is spaced from the inner circumference of the centrifuge jacket 21, so that there is a passage of liquid or dry substance is possible.
  • At the The end of the conical area includes the drum jacket 21 provided at least one dry matter discharge recess 22.
  • a liquid weir 30 is arranged at the opposite axial end of the centrifuge drum 20 at the opposite axial end of the centrifuge drum 20 .
  • the centrifuge drum 20 is completed with a weir plate 32, which has individual recesses, the leakage of liquid allow.
  • the weir plate 32 is opposite Throttle plate 34 arranged on a stationary part the housing of the decanter centrifuge 1 is attached and does not rotate with the cylinder drum 20.
  • the throttle plate 34 is displaceable parallel to the axis of rotation of the cylinder drum 20.
  • the width of one between weir plate 32 and Throttle plate 34 forming weir gap 33 is thus also variable with rotating cylinder drum 20.
  • the adjustment of the throttle plate 34 can be via electrical or pneumatic adjustment devices that are made via a gap width signal are controllable, which from the control output 214 of a weir control device 210 is output.
  • the product to be processed is a Multi-phase mixture containing at least one liquid phase and has an insoluble solid phase.
  • the solid phase with the lowest possible Separate residual liquid nevertheless the dry phase consisting of solid and residual liquid still be conveyable through pipelines, so that it must remain fluid. This objective arises for example in the processing of sewage sludge in municipal Sewage treatment plants.
  • the weir gap width x W of the weir gap 33 is initially set to a starting value when the process is started, which is approximately 0.5% to 5% of the maximum adjustable weir gap width x W, max .
  • the pressure in the annular space 26 rises through the narrow weir gap 33, so that liquid 54 presses into the centrifuged drying phase 52.
  • the dry phase 52 thus diluted again is conveyed past the immersion disk 14 to the dry substance discharge recess 22.
  • the width ratios on the weir are shown schematically in FIGS. 5a and 5b.
  • the liquid phase 54 is flung radially outwards due to the high centrifugal forces.
  • the gap width x W is then without influence on the hydraulic conveyance of the drying phase 52 in the centrifuge drum 20.
  • the maximum adjustable weir gap width x W, max is thus the width of the weir gap 33 at which the throttle plate 34 is just still being wetted by the emerging liquid phase 54 takes place and thus a regulation of the dynamic pressure of the liquid phase can take place.
  • the weir gap width x W is then regulated as a function of the dry matter concentration c TS in the subtracted drying phase 52 until a predetermined target dry matter concentration c TS, 0 is reached .
  • the operating point can also be in the middle of the process effective travel range of the throttle plate 34 set so that there are equally large reserves for the Travel path of the throttle plate in both directions.
  • the optimization of the method according to the invention begins with a view to saving energy, provided that the regulated weir gap width x W is not within the weir gap width tolerance range 37.
  • the drum speed n Z is increased so that the dry matter concentration c TS tends to be increased in the dry phase. This is counteracted by an increase in pressure in the liquid phase, which is brought about by reducing the weir gap width x W.
  • the throttle plate of the weir is again positioned in the weir gap width tolerance range 37.
  • the weir gap width x W is readjusted as a function of the dry matter concentration c TS in the subtracted drying phase 52 until a predetermined desired dry matter concentration c TS, 0 is reached .
  • the weir 30 is then in a position in which there are still sufficient reserves to move the throttle valve 34 in the process-technically effective range and thus to change the weir gap width x W if a change in the quantity and / or composition of the product added so requires ,
  • FIG. 4 shows the time course of the drum speed n Z (FIG. 4a), the weir gap width x W (FIG. 4b) and the volume flow of the product supplied (FIG. 4c) in the method according to the invention.
  • phase "IV” the weir gap width x W after the readjustment has been carried out is within the weir gap width tolerance range 37.
  • phase "V" of FIG. 4c an increase in the inflow amount, for example due to a rain shower, is recorded. At the same time, the solids content is lower. In order to keep the dry matter concentration c TS of the discharge constant, the weir gap width x W is greatly increased out of the tolerance range 37 in order to be able to draw off more and more liquid.
  • the weir control device 210 (cf. FIGS. 1, 2) is used for the weir position the discharge concentration to the desired Setpoint adjusted. During this time the function is the speed control device 220 is still bridged. After this this bridging period has ended, the scheme Approved. For the specific application is considered of machine-technical and plant-specific Data of the optimal working point of the weir control system 210 set. From this operating point the Area in which the decanter centrifuge is procedural and works optimally in terms of energy consumption. The center and width of this area become the definition of a weir gap width tolerance range.
  • the current position of the weir is then determined and with compared to the weir gap tolerance range.
  • the control valve's control value is below of this area, the decanter is underutilized and the drum speed, which is related to the energy consumption of the Separation process is directly related to one Speed level value can be reduced.
  • the control output value leaves the range in positive Direction, the drum speed is too low and must be raised the weir position in the weir gap width tolerance range due.

Landscapes

  • Centrifugal Separators (AREA)
  • Cyclones (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Mehrphasengemisches (50) in wenigstens eine Flüssigkeitsphase (54) und eine Trockenphase (52) mit einer vorbestimmten Trockensubstanzkonzentration. Es wird eine Dekantierzentrifuge (100) mit einer ringförmigen Tauchscheibe (14) und einem endseitig an der Zentrifugentrommel (20) angeordnetem Flüssigkeitswehr verwendet. Nach dem Anlaufen der Zentrifugentrommel (20) und Einstellen einer Startteichtiefe wird ein Mehrphasengemisch (50) in die rotierende Zentrifugentrommel (20) eingeleitet. Die Trockenphase (52) und die Flüssigkeitsphase (54) werden abgezogen. Die Teichtiefe, also der Flüssigkeitsstand in der Zentrifugentrommel, wird über das Flüssigkeitswehr bis zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Trockensubstanzkonzentration geregelt. Erfindungsgemäß wird die Teichtiefe laufend mit einem Toleranzbereich verglichen. Das Wehr wird während des Verfahrens vorzugsweise so positioniert, dass damit in beiden Richtungen eine Reaktion auf Konzentrationsänderungen im Zulauf möglich ist. Außerdem wird die Drehzahl der Zentrifuge im Verfahren stufenweise abgesenkt und die Wehrstellung angepasst, so dass die Konzentration der Trockenphase konstant bleibt. Durch die Drehzahlsenkung wird eine Energieeinsparung bewirkt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Mehrphasengemisches in wenigstens eine Flüssigkeitsphase und eine Trockenphase mit einer vorbestimmten Trockensubstanzkonzentration cTS, mittels einer Dekantierzentrifuge, die aufweist:
  • eine ringförmige Tauchscheibe, die an ihrem inneren Umfang mit einer Welle verbunden ist und deren Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser einer Zentrifugentrommel; und
  • wenigstens ein endseitig an der Zentrifugentrommel angeordnetes Flüssigkeitswehr mit einem Wehrspalt, durch den die Flüssigkeitsphase aus der Zentrifugentrommel ableitbar ist, und mit einer Teichtiefeneinstellvorrichtung, mit der die Teichtiefe xT der in der Zentrifugentrommel rotierenden Flüssigkeitsphase einstellbar ist,
mit folgenden Schritten:
  • a) Anlaufen der Zentrifugentrommel auf eine Starttrommeldrehzahl nZ,1 und Einstellen der Teichtiefe xT auf eine Startteichtiefe xT,1 ;
  • b) Einleiten des Mehrphasengemisches in die rotierende Zentrifugentrommel;
  • c) Abzug der Trockenphase durch die wenigstens eine Trockensubstanzaustragsausnehmung und Abzug der Flüssigkeitsphase durch den Wehrspalt;
  • d) Regeln der Teichtiefe XT mittels der Teichtiefeneinstellvorrichtung in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration CTS in der abgezogenen Trockenphase bis zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Trockensubstanzkonzentration CTS,1.
Die Teichtiefe ist definiert als die Differenz zwischen Außen- und Innendurchmesser des in der Zentrifugentrommel rotierenden Flüssigkeitsrings.
Eine Dekantierzentrifuge mit wenigstens teilweiser hydraulischer Förderung, wie Sie für die Durchführung des Verfahrens vorausgesetzt wird, ist aus der DE 43 20 265 C2 bekannt. Hierbei wird in der rotierenden Zentrifugentrommel ein Flüssigkeitsring zwischen Tauchscheibe und Flüssigkeitswehr mit bestimmter Füllstandshöhe, der sogenannten Teichtiefe, eingestellt und somit durch die Flüssigkeitsphase ein hydrostatischer Druck erzeugt, der zum Austrag der Trockenphase beiträgt. Die hydraulische Förderung kann zusätzlich oder anstelle des Austrags mit einer mit Differenzdrehzahl rotierbaren Schnecke erfolgen.
Das Wehr ist im wesentlichen zweiteilig ausgebildet ist. Eine Wehrplatte schließt den zylinderförmigen Mantel der Zentrifugentrommel ab und rotiert mit dieser. Sie ist mit wenigstens einem Durchlass zum Ablassen einer Flüssigkeit aus der Zentrifugentrommel versehen. Der Wehrplatte ist eine parallele Drosselscheibe zugeordnet, die axial verschiebbar an der ortsfesten Lagerung der rotierbaren Zentrifugentrommel angeordnet ist. Zwischen der rotierenden Wehrplatte und der ortsfesten Drosselscheibe bildet sich ein Spalt aus, der sich in radialer Richtung erstreckt und durch den die Flüssigkeitsphase aus der Zentrifugentrommel heraus geschleudert wird. Durch axiale Verschiebung der Drosselscheibe kann die Wehrspaltweite variiert werden. Durch eine Verringerung der Weite des Wehrspaltes wird eine Druckerhöhung in der Flüssigkeitsphase bewirkt, so dass diese vermehrt die Trockenphase aus der Zentrifugentrommel herausdrückt. Die Flüssigkeitsphase dringt teilweise auch in die Trockenphase ein und verringert dessen Konzentration an Trockensubstanz. Umgekehrt bewirkt eine Erweiterung des Wehrspaltes eine Druckminderung, eine reduzierte hydraulische Förderung und schließlich eine Erhöhung der Trockensubstanzkonzentration in der Trockenphase.
Dieses Flüssigkeitswehr für eine Dekantierzentrifuge hat sich bewährt, da es bei rotierender Zentrifugentrommel nachstellbar ist und so eine Regelung der Trockensubstanzkonzentration über die Wehrspaltweite erlaubt. Mittels der Regelung der Wehrspaltweite kann auf Konzentrations- und Mengenänderungen bei dem zugeführten Mehrphasengemisch im laufenden Prozess reagiert werden.
Es hat sich jedoch erwiesen, dass die Regelung der Trockensubstanzkonzentration über das verstellbare Flüssigkeitswehr einen unverändert hohen Energieeinsatz der mit hoher Drehzahl rotierenden Dekantierzentrifuge erfordert. Der hohe Energieverbrauch beruht insbesondere darauf, dass die der Trommel zugeführte Menge des Mehrphasengemisches kontinuierlich aus einer Ruhelage beschleunigt werden muss, bis sie die mittels der Zentrifugentrommel aufgeprägte hohe Winkelgeschwindigkeit erreicht.
Im Laufe des Verfahrens kann sich die Wehrstellung in eine Randlage verschieben, in der die Drosselplatte des Wehrs nicht weiter verstellbar ist. Bei starken Änderungen von Konzentration und/oder Menge des aufgegebenen Mehrphasengemisches kann dann keine Regelung der Trockensubstanzkonzentration mehr erfolgen. Der Prozess muss abgebrochen und mit einer empirisch zu bestimmenden Trommeldrehzahl neu angefahren werden.
Bekannt ist aus der DE 195 00 600 ein pneumatisches Flüssigkeitswehr, bei dem durch Einblasen von Druckgas in den Wehrspalt der Strömungswiderstand der Flüssigkeitsphase im Wehr erhöht wird, wodurch die Teichtiefe erhöht wird. Auch mit dieser Ausbildung des Flüssigkeitswehrs ist eine Regelung der Trockensubstanzkonzentration durch eine Wehrverstellung während des Betriebes möglich.
In der EP 1 044 723 A1 werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um mit Maschinenparametern wie der Trommeldrehzahl oder der Differenzdrehzahl die Eigenschaften der separierten Phasen zu beeinflussen. Hierbei steht jedoch stets die Zusammensetzung der Flüssigkeits- bzw. Trockenphase im Mittelpunkt der Überlegungen. Die offenbarte Regelung der Trockensubstanzkonzentration über eine Variation der Trommeldrehzahl erfordert jedoch einen erhöhten Energieeinsatz. Neben dem ohnehin hohen Energieverbrauch bei einer hohen Grunddrehzahl ist das häufige Abbremsen und Beschleunigen der Trommel wegen der hohen Massenträgheitsmomente einer beladenen Dekantierzentrifuge und den hohen Winkelgeschwindigkeiten zusätzlich sehr energieintensiv.
Ein Verfahren, das zum Betreiben einer Dekantierzentrifuge mit einem verstellbaren Flüssigkeitswehr geeignet wäre, ist nicht offenbart.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass zum einen eine Optimierung des Energieverbrauchs im Grundlastbetrieb einer Dekantierzentrifuge erfolgt und dass zum anderen die Dekantierzentrifuge so betrieben wird, dass auch bei plötzlichen Änderungen in Art und Menge des zulaufenden Produktes eine Regelung des Prozesses im Hinblick auf eine vorbestimmte Trockensubstanzkonzentration der abgetrennten Trockenphase gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, das durch folgende weitere Schritte gekennzeichnet ist:
  • e) Festlegen eines Teichtiefentoleranzbereichs mit einer unteren Teichtiefe xT,U und einer oberen Teichtiefe xT,O;
  • f) Vergleichen der eingeregelten Teichtiefe xW mit dem Teichtiefentoleranzbereich und fortwährende Durchführung der Schritte b) bis f) bei einer innerhalb des Teichtiefentoleranzbereiches liegenden Teichtiefe xT;
  • g) Erhöhen der Zentrifugentrommeldrehzahl nZ um einen Drehzahlstufenwert ΔnZ bei einer Teichtiefe xT, die kleiner ist als die untere Teichtiefe xT,U, oder Absenken der Zentrifugentrommeldrehzahl nZ um einen Drehzahlstufenwert ΔnZ bei einer Teichtiefe xT, die größer ist als die obere Teichtiefe xT,O;
  • h) Nachregeln der Teichtiefe xT in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase bis zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Trockensubstanzkonzentration cTS,0;
  • i) Vergleich der nachgeregelten Teichtiefe xT mit einem vorgegebenen Teichtiefentoleranzbereich und Wiederholung der Schritte f) bis i) bei einer außerhalb des Teichtiefentoleranzbereiches liegenden Teichtiefe xT unter fortwährender Einleitung des Mehrphasengemisches in die rotierende Zentrifugentrommel und Abzug der Flüssigkeits- und Trockenphase.
    • Die mit dem Verfahren der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Dekantierzentrifuge mit einer Tauchscheibe und einem Flüssigkeitswehr so zu betreiben ist, dass bei einem Grundlastbetrieb mit weitgehend konstanter Menge und Konzentration des Zulaufs eine Optimierung hinsichtlich des Energieverbrauchs vorgenommen werden kann und dass zugleich eine Reaktionsbereitschaft auf plötzliche Änderungen im Zulauf dadurch gegeben ist, dass das Wehr in eine durch den Toleranzbereich definierte Mittellage zurückgeführt wird, aus der heraus es sowohl die Trockenphase stärker eindicken als auch weiter verdünnen kann.
    In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Dekantierzentrifuge verwendet, deren Flüssigkeitswehr aus einer Wehrplatte mit wenigstens einer Flüssigkeitsausnehmung und aus einer Drosselplatte besteht, die ortsfest unter Ausbildung eines Wehrspaltes gegenüber der Wehrplatte gelagert und axial verschiebbar ist. Die Teichtiefe xT ist über eine Vergrößerung der Wehrspaltweite xW abzusenken und über eine Verringerung der Wehrspaltweite xW zu erhöhen. Dem Teichtiefentoleranzbereich ist ein entsprechender Wehrspaltweitentoleranzbereich mit einer unteren Wehrspaltweite xW,U und einer oberen Wehrspaltweite xW,O zugeordnet. Da eine Erhöhung der Wehrspaltweite den Staudruck am Wehr senkt, sinkt folglich die Teichtiefe. Somit ist bei der unteren Wehrspaltweite xW,U des Wehrspaltweitentoleranzbereichs die obere Teichtiefe xT,U erreicht und umgekehrt.
    Eine weitere Ausführungsform des Verfahren sieht vor, dass eine Dekantierzentrifuge verwendet wird, deren Flüssigkeitswehr wenigstens aufweist einen sich axial erstreckenden, U-förmigen Flüssigkeitskanal, deren Eintritts- und Austrittsöffnungen zum Außenumfang des Flüssigkeitswehrs hin angeordnet sind und bei dem im Bereich einer U-förmigen Biegung des Flüssigkeitskanals ein Druckgas unter Ausbildung einer hydrohermetischen Druckkammer einleitbar ist. Damit ist die Teichtiefe xT durch Erhöhung des Gasdrucks zu erhöhen und durch Erniedrigen des Gasdrucks abzusenken. Dem Teichtiefentoleranzbereich ist ein entsprechender Gasdrucktoleranzbereich mit einem unteren Gasdruck pU und einem oberen Gasdruck pO zugeordnet.
    Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnung zu entnehmen.
    Die Erfindung betrifft auch ein Dekantierzentrifugensystem zur Durchführung des Verfahrens, mit wenigstens folgenden Einzelteilen:
    • einer Dekantierzentrifuge umfassend:
      • eine Hohlwelle, die wenigstens ein innenliegendes Einlaufrohr aufweist;
      • eine um die Hohlwelle rotierbare Zentrifugentrommel, welche mit wenigstens einer in ihren Trommelmantel eingebrachten Trockensubstanzaustragsausnehmung versehen ist;
      • eine ringförmigen Tauchscheibe, die an ihrem inneren Umfang mit der Hohlwelle verbunden ist und deren Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Trommelmantels;
      • wenigstens ein endseitig an der Zentrifugentrommel angeordnetes Flüssigkeitswehr mit einem Wehrspalt, durch den die Flüssigkeitsphase aus der Zentrifugentrommel ableitbar ist, und mit einer Teichtiefeneinstellvorrichtung, mit der die Teichtiefe xT der in der Zentrifugentrommel rotierenden Flüssigkeitsphase einstellbar ist,
    • einer Sensoreinrichtung zur Messung der Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase;
    • eine Wehrregeleinrichtung zur Regelung der Teichtiefe xT in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS.
    Eine Dekantierzentrifugensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 17 ist aus der Veröffentlichung "Intelligente Meß- und Regelungstechnik zur optimierten Prozessführung bei der Abwasserbehandlung" (DR. H.-J. BEYER / M. FLEUTER, Westfalia Separator Industry GmbH in: 4. Mersebuger Fachtagung Automatisierung, Meßmethoden und Experimente in der mechanischen Verfahrenstechnik, November 1999) bekannt. Mit Hilfe einer Wehrregeleinrichtung wird erreicht, dass die Teichtiefe xT in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS verstellt wird. Hierdurch ist eine weitgehende Automatisierung des Phasentrennprozesses möglich. Ein Eingriff des Bedieners ist aber nach wie vor erforderlich, wenn starke Änderungen in Art, Menge und/oder Konzentration des zulaufenden Produktes auftreten und das Wehr eine Grenzlage erreicht hat, aus der heraus es nicht mehr auf die aufgetretenen Änderungen reagieren kann. Zudem ist im laufenden Prozess wegen der hohen Trommeldrehzahlen ein hoher Energieverbrauch festzustellen.
    Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Dekantierzentrifugensystem so weiter zu entwickeln, dass der Energieverbrauch bei der Trennung eines Mehrphasengemisches mittels einer Dekantierzentrifuge reduziert wird und außerdem auch Änderungen bei Menge und Zusammensetzung des zulaufenden Produktes ohne Eingriff des Benutzers kompensierbar sind.
    Diese Aufgabe wird gelöst bei einem Dekantierzentrifugensystem der zuvor genannten Art, das gekennzeichnet ist durch eine Drehzahlregeleinrichtung zur Regelung der Trommeldrehzahl nZ in Abhängigkeit von der Teichtiefe xT und von der Trockensubstanzkonzentration cTS, mit einem Konzentrationssignaleingang (221), einem Teichtiefensignaleingang (222) und einem Drehzahlsteuersignalausgang (224).
    Mit diesem Dekantierzentrifugensystem ist es möglich, zwei Stellgrößen, nämlich Teichtiefe und Drehzahl, automatisch zu beeinflussen. Die Drehzahlregeleinrichtung ist dabei nachgeordnet. Priorität in dem System behält die Wehrregeleinrichtung für die Regelung der Teichtiefe in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration. Damit kommt der Drehzahlregeleinrichtung eine Rolle als Ergänzungssystem zu, das in Zeiten eines Grundlastbetriebs eine Optimierung des Energieverbrauchs bewirken kann oder auch die Stellung des Wehrs im Hinblick auf Reaktionen des Systems auf Änderungen beim Zulauf optimieren kann.
    Im Falle eines Ausfalls der Wehrregeleinrichtung kann zudem über eine Änderung der Trommeldrehzahl die Trockensubstanzkonzentration geregelt oder zumindest soweit gesenkt werden, dass die Trockensubstanz fließfähig bleibt und ein Verstopfen der Austragsleitungen verhindert wird.
    Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Dekantierzentrifugensystems sind den Unteransprüchen 18 bis 24 zu entnehmen.
    Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
    Fig. 1
    eine erste Ausführungsform eines Dekantierzentrifugensystems in schematischer Übersicht;
    Fig. 2
    eine zweite Ausführungsform eines Dekantierzentrifugensystems in schematischer Übersicht,
    Fig. 3
    den inneren Aufbau einer Dekantierzentrifuge mit mechanischem Flüssigkeitswehr in Schnittansicht;
    Fig. 4a bis 4c
    den Verlauf verschiedener Parameter während des Verfahrens, jeweils aufgetragen in einem Diagramm über der Zeitachse;
    Fig. 5a,b
    die ausströmende Flüssigkeit bei verschiedenen Stellungen eines mechanischen Flüssigkeitswehrs in Schnittansicht;
    Fig. 6
    eine Dekantierzentrifuge mit pneumatische, Flüssigkeitswehr in Schnittansicht; und
    Fig. 7
    den Ablauf des Verfahrens in einem Flussdiagramm.
    Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Dekantierzentrifugensystems gemäß der Erfindung. Eine Dekantierzentrifuge 100 ist mit einem Einlaufrohr 11, einer Flüssigkeitsleitung 36 und einer Trockensubstanzaustragsleitung 27 verbunden. Die Dekantierzentrifuge 100 weist eine Trommelantriebsvorrichtung 25 für den Antrieb einer Zentrifugentrommel 20 auf und eine Schneckenantriebsvorrichtung 45 zum Antrieb einer Förderschnecke 40 auf. Außerdem ist die Dekantierzentrifuge 100 mit einem Flüssigkeitswehr versehen, das über eine Wehrverstellvorrichtung 35 verstellbar ist.
    An der Trockensubstanzaustragsleitung 27 ist eine Sensoreinrichtung 60 angeordnet, mit der eine Trockensubstanzkonzentration cTS in der dort abgezogenen Trockenphase messbar ist. Das Messsignal der Sensoreinrichtung 60 ist auf den Konzentrationssignaleingang 211 einer Wehrregeleinrichtung 210 aufgeschaltet. An deren Steuerausgang 214 wird in der hier dargestellten ersten Ausführungsform ein Wehrspaltweitensteuersignal ausgegeben, mit dem die Wehrverstellvorrichtung 35 beaufschlagt ist. Als besonders geeignet hat sich die Auslegung der Wehrregeleinrichtung 210 als PI-Regler erwiesen. Durch einen hohen integrierenden Anteil können Regelabweichungen zunächst über eine Zeitdauer gemittelt werden, so dass ein Aufschwingen des Dekantierzentrifugensystems verhindert wird.
    Das Messsignal der Sensoreinrichtung 60 ist außerdem auf den Konzentrationssignaleingang 221 einer Drehzahlregeleinrichtung 220 aufgeschaltet. An einem Wehrspaltweitensignaleingang 222 ist ein Signal aufgeschaltet, das die aktuelle Wehrspaltweite übermittelt. Dieses Wehrspaltweitensignal kann direkt vom Steuerausgang 214 der Wehrregeleinrichtung 210 abgenommen werden, so dass es einen Soll-Wert der Wehrspaltweite repräsentiert.
    Vorzugsweise wird jedoch die tatsächliche Wehrspaltweite durch Wegstreckenmessung direkt am Wehr ermittelt und dem Wehrspaltweitensignaleingang 222 der Drehzahlregeleinrichtung 220 aufgeschaltet. Die Drehzahlregeleinrichtung 220 ist als Schrittregler ausgeführt.
    Die in Fig. 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten aus Fig. 1 dadurch, dass sie eine Deaktivierungseinrichtung 215 aufweist, die die Drehzahlregeleinrichtung 220 erst freischaltet, wenn die Anlaufphase des Prozesses beendet ist und die Wehrspaltweite xW vorläufig durch die Wehrregeleinrichtung 210 eingeregelt worden ist. Weiterhin deaktiviert die Deaktivierungseinrichtung 215 die Drehzahlregeleinrichtung 220 im Anschluss an eine Änderung der Trommeldrehzahl solange, bis die damit einhergehende Beeinflussung der an der Sensoreinrichtung 60 zu messenden Trockensubstanzkonzentration cTS von der Wehrregeleinrichtung 210 wieder kompensiert worden ist. Anschließend wird die Drehzahlregeleinrichtung 220 wieder freigeschaltet, so dass diese gegebenenfalls eine weitere Änderung der Trommeldrehzahl ausführen kann.
    In Fig. 3 ist der innere Aufbau einer Dekantierzentrifuge 1 dargestellt, die im wesentlichen aus einer Zentrifugentrommel 20, einer Hohlwelle 20, einem Flüssigkeitswehr 30 und einer Förderschnecke 40 besteht.
    Die Zentrifugentrommel 20 ist an Lagerstellen 23, 24 drehbar gelagert und kann über eine Trommelantriebsvorrichtung 25 (vgl. Fig. 1) rotiert werden. Innerhalb der Zentrifugentrommel 20 ist eine Hohlwelle 10 angeordnet, die über Lager 15, 16 drehbar am Trommelmantel 21 gelagert ist. In eine axiale Bohrung der Hohlwelle 10 ragt ein ortsfestes Einlaufrohr 11 hinein, die an wenigstens einer Einlaufausnehmung 12 mündet. Durch diese ist eine Verbindung von der inneren Bohrung zum Außenumfang der Hohlwelle 10 geschaffen.
    Am Außenumfang der Hohlwelle 10 ist eine Förderschnecke 40 befestigt, die über eine Schneckenantriebsvorrichtung 45 rotierbar ist. Die Schneckenantriebsvorrichtung 45 kann auch Teil der Trommelantriebsvorrichtung 25 sein, beispielsweise durch eine separate Getriebestufe gebildet sein. Hohlwelle 10 und Trommelmantel 21 sind konzentrisch angeordnet, so dass sich zwischen der Hohlwelle 10 und dem Trommelmantel 21 ein Kreisringraum 26 ausgebildet. Die Hohlwelle 10 weist eine Tauchscheibe 14 auf, die an dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in der Nähe einer Querschnittsverjüngung von Hohlwelle 10 und Trommelmantel 21 angeordnet ist. Die Tauschscheibe 14 ist auf der Hohlwelle 10 befestigt und schließt den Kreisringraum 26 zur Hohlwelle hin ab. Der äußere Umfang der Tauschscheibe 14 ist beabstandet von dem Innenumfang des Zentrifugenmantels 21, so dass dort ein Durchtritt von Flüssigkeit oder Trockensubstanz möglich ist. Am Ende des konischen Bereiches ist der Trommelmantel 21 mit wenigstens einer Trockensubstanzaustragsausnehmung 22 versehen.
    Am gegenüberliegenden axialen Ende der Zentrifugentrommel 20 ist ein Flüssigkeitswehr 30 angeordnet. Die Zentrifugentrommel 20 ist mit einer Wehrplatte 32 abgeschlossen, welche einzelne Ausnehmungen aufweist, die einen Austritt von Flüssigkeit erlauben. Der Wehrplatte 32 gegenüberliegend ist eine Drosselplatte 34 angeordnet, die an einem ortsfest Teil des Gehäuses der Dekantierzentrifuge 1 befestigt ist und nicht mit der Zylindertrommel 20 rotiert. Die Drosselplatte 34 ist parallel zur Drehachse der Zylindertrommel 20 verschiebbar. Die Breite eines sich zwischen Wehrplatte 32 und Drosselplatte 34 ausbildenden Wehrspalts 33 ist damit auch bei rotierender Zylindertrommel 20 variierbar.
    Die Verstellung der Drosselplatte 34 kann über elektrische oder pneumatische Verstelleinrichtungen erfolgen, die über ein Spaltweitensignal steuerbar sind, welches vom Steuerausgang 214 einer Wehrregeleinrichtung 210 ausgegeben wird.
    Figur 6 zeigt ausschnittsweise eine Dekantierzentrifuge mit einem pneumatischen Flüssigkeitswehr 330. Dieses weist einen U-förmigen Flüssigkeitskanal auf mit einer zur Zentrifugentrommel 20 hin gerichteten Eintrittsöffnung 331, einer U-förmigen Biegung 333 und einer Austrittsöffnung 332. Es schließt sich in der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform eine weitere U-förmige Kanalumlenkung an, so dass insgesamt eine Labyrinthdichtung mit 4 Umlenkungen ausgebildet ist. Durch eine Druckgasleitung 334 kann Druckgas in den Flüssigkeitskanal im Bereich der U-förmigen Biegung 333 eingeblasen werden, wo sich eine hydrohermetische Druckkammer ausbildet. Das in der Biegung 333 eingeleitete Druckgas erhöht den Strömungswiderstand für die Flüssigkeitsphase 54 und erhöht damit den Staudruck am Flüssigkeitswehr 330, so dass sich die Teichtiefe XT vergrößert und die Trockensubstanzkonzentration der ausgetragenen Schlammphase 52 verringert. Wird der Gasdruck zu hoch gewählt, bricht die Gasphase aus der Biegung 333 des Kanals aus und sammelt sich entweder in der Zentrifugentrommel 20 oder strömt nach außen. Bei einem Gasdruck, der etwa dem Druck der rotierenden Flüssigkeitsphase in der Biegung 333, tritt kein Gas mehr in die Flüssigkeitsphase 54 über, so dass diese ungehindert austreten kann. Beim Über- oder Unterschreiten dieser Druckwerte wird die Teichtiefe xT nicht mehr beeinflusst. Liegt der Gasdruck zwischen den genannten Grenzdrücken, kann das Verfahren der Erfindung in gleicher Weise angewandt werden wie zuvor für eine Dekantierzentrifuge mit mechanisch verstellbarem Flüssigkeitswehr 30 angegeben wurde. Auch das zuvor beschriebene Dekantierzentrifugensystem kann mit seinen Sensoren 60 und Regeleinrichtungen 210, 220 ebenso zusammen mit einer Dekantierzentrifuge mit pneumatisch verstellbarem Flüssigkeitswehr 330 betrieben werden.
    Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung erläutert.
    Bei dem zu verarbeitenden Produkt handelt es sich um ein Mehrphasengemisch, das mindestens eine Flüssigkeitsphase und eine darin unlösliche Feststoffphase aufweist. In der hier vorgestellten Ausbildung des Verfahrens ist es Ziel des Trennprozesses, die Feststoffphase mit einem möglichst geringem Restgehalt an Flüssigkeit abzutrennen, gleichwohl soll die aus Feststoff und Restflüssigkeit bestehende Trockenphase noch durch Rohrleitungen förderbar sein, so dass sie fließfähig bleiben muss. Diese Zielsetzung ergibt sich beispielsweise bei der Verarbeitung von Klärschlamm in kommunalen Kläranlagen.
    Die Zylindertrommel 20 wird auf eine hohe Nenndrehzahl nZ0 beschleunigt, und das Produkt wird eingeleitet. Die Nenndrehzahl nZ0 ist durch die Bauart der Dekantierzentrifuge 100 begrenzt. Bei hoher Nenndrehzahl nZ0 zu Beginn des Verfahrens weist die sich absondernde Trockenphase 52 in der Zentrifugentrommel 20 eine hohe Trockensubstanzkonzentration cTS auf.
    Bei einem großen Dichtenunterschied zwischen fester und flüssiger Phase sind Feststoffe leichter sedimentierbar. In diesen Fällen kann die Nenndrehzahl nZ0 niedriger sein als die bauartbedingte Höchstdrehzahl nz,max. Das Verfahren kann dann mit einer Startdrehzahl begonnen werden, die dem 0,5 bis 0,7fachender der maximalen Drehzahl entspricht. Dadurch weist die Trockenphase zunächst einen erhöhte Menge an Restwasser auf. Um dies auszugleichen, wird das Verfahren mit einem weit geöffneten Wehr begonnen, so dass möglichst viel Flüssigkeit abfließen kann.
    In jedem Fall wird aber die Nenndrehzahl nZ0 zu Anfang des Prozesses so hoch gewählt, dass damit eine starke Phasentrennung erzielt wird und vermieden wird, dass Feinstäube mit der abgetrennten Flüssigkeitsphase ausgeschwemmt werden.
    Um die Förderbarkeit der Trockenphase 52 zu gewährleisten und um bereits in der Anlaufphase des Prozesses ein so hohes Volumen auszutragen, dass die Rohrleitungen auf der Austragsseite gefüllt werden und eine Messung der Trockensubstanzkonzentration cTS mit Hilfe der Sensoreinrichtung 60 ermöglicht ist, wird die bei hoher Nenndrehzahl abgetrennte Trockensubstanz mit Flüssigkeit versetzt. Dazu wird beim Anlaufen des Prozesses die Wehrspaltweite xW des Wehrspalts 33 zunächst auf einen Startwert eingestellt, der etwa 0,5% bis 5% der maximal einstellbare Wehrspaltweite xW,max beträgt. Durch den schmalen Wehrspalt 33 steigt der Druck im Kreisringraum 26, so dass Flüssigkeit 54 in die abgeschleuderte Trockenphase 52 hineindrückt. Die so wieder verdünnte Trockenphase 52 wird an der Tauchscheibe 14 vorbei bis zu der Trockensubstanzaustragsausnehmung 22 gefördert.
    Die Weitenverhältnisse am Wehr sind in den Fig. 5a und 5b schematisch dargestellt. Die Flüssigkeitsphase 54 wird nach dem Austritt aus der Wehrplatte 32 auf Grund der hohen Zentrifugalkräfte radial nach außen geschleudert. Bei einer in Fig. 5b dargestellten sehr weiten Öffnung des Wehrspalts 33 schleudert die Flüssigkeitsphase weg und benetzt die Drosselplatte 34 nicht mehr. Die Spaltweite xW ist dann ohne Einfluss auf die hydraulische Förderung der Trockenphase 52 in der Zentrifugentrommel 20. Die maximal einstellbare Wehrspaltweite xW,max ist damit diejenige Weite des Wehrspalts 33, bei der gerade noch eine Benetzung der Drosselplatte 34 durch die austretende Flüssigkeitsphase 54 stattfindet und somit eine Regelung des Staudrucks der Flüssigkeitsphase erfolgen kann.
    Anschließend wird die Wehrspaltweite xW in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase 52 bis zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Trockensubstanzkonzentration cTS,0 geregelt.
    Als anzustrebender Arbeitspunkt wird eine Wehrspaltweite definiert, die unter Berücksichtigung von maschinentechnischen und produktspezifischen Daten festgelegt wird und gegebenenfalls durch Vorversuche ermittelt wird. Weiterhin wird ein in Fig. 4b mit 37 bezeichneter Wehrspaltweitentoleranzbereich um den Arbeitspunkt herum und eine Startwehrspaltweite xW,1 festgelegt. Die Breite des Wehrspaltweitentoleranzbereichs 37 beträgt vorzugsweise 0,5% bis 5% der maximalen Wehrspaltweite xW,max.
    Der Arbeitspunkt kann auch in der Mitte des verfahrenstechnischen wirksamen Verfahrbereichs der Drosselplatte 34 festgelegt werden, so dass sich gleich große Reserven für den Verfahrweg der Drosselplatte in beiden Richtungen ergeben.
    Nach dem so gestalteten Anlaufen des Prozesses setzt die erfindungsgemäße Optimierung des Verfahrens im Hinblick auf eine Energieeinsparung ein, sofern die eingeregelte Wehrspaltweite xW nicht in dem Wehrspaltweitentoleranzbereich 37 liegt.
    Liegt die Wehrspaltweite in dem Wehrspaltweitentoleranzbereich 37, so wird der Prozess ohne Energieverbrauchsoptimierung weitergeführt, indem laufend das Produkt aufgegeben wird und Flüssigkeits- und Trockenphase abgezogen werden. Über eine Regelung der Wehrspaltweite wird auf Konzentrations- oder Mengenänderungen im Zulauf reagiert, so dass die Trockensubstanzkonzentration cTS nach kurzer Zeitdauer wieder einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
    Kann die Wehrspaltweite nicht weiter erhöht werden, da diese nahe an der maximalen Wehrspaltweite xW,max liegt, wird eine Erhöhung der Trommeldrehzahl nZ vorgenommen, so dass die Trockensubstanzkonzentration cTS in der Trockenphase tendenziell erhöht wird. Dem wird durch eine Druckerhöhung in der Flüssigkeitsphase entgegengewirkt, die mittels einer Reduzierung der Wehrspaltweite xW bewirkt wird. Durch die Schritte Drehzahlerhöhung und Nachregelung der Wehrspaltweite wird, gegebenenfalls nach einer Wiederholung, zugleich die Drosselplatte des Wehrs wieder im Wehrspaltweitentoleranzbereich 37 positioniert.
    Liegt die eingeregelte Wehrspaltweite xW jedoch unterhalb des vorgegebenen Wehrspaltweitentoleranzbereichs 37, so wird die Zentrifugentrommeldrehzahl nZ um einen Drehzahlstufenwert ΔnZ, welcher vorzugsweise bei 2% der maximalen Nenndrehzahl liegt, abgesenkt. Eine Durchführung des Verfahrens mit Drehzahlstufenwerten ΔnZ von 30 bis 70 U/min ist auch möglich. Es hat sich gezeigt, dass diese bevorzugte Werte für die Drehzahlstufenwerte einerseits groß genug ist, um in möglichst kurzer Zeit und möglichst wenigen Schritten eine Energieeinsparung zu bewirken. Andererseits führt die Höhe der dem Prozess aufgezwungenen Änderung noch nicht zu einem Aufschwingen des Systems oder anderen negativen Auswirkungen.
    Nach der Drehzahländerung wird die Wehrspaltweite xW in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase 52 bis zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Trockensubstanzkonzentration cTS,0 nachgeregelt.
    Die eingeregelte Wehrspaltweite xW wird wiederum mit dem vorgegebenen Wehrspaltweitentoleranzbereich 37 verglichen. Solange die Wehrspaltweite xW außerhalb des Wehrspaltweitentoleranzbereiches 37 liegt, werden die Schritte:
    • Drehzahlabsenkung,
    • Nachregelung des Wehrspaltes 33 und
    • Überprüfung der Wehrspaltweite
    wiederholt.
    Andernfalls wird die Energieoptimierung abgebrochen. Das Wehr 30 steht dann in einer Stellung, bei der noch genügend Reserven gegeben sind, um die Drosselklappe 34 im verfahrenstechnisch wirksamen Bereich zu verfahren und damit die Wehrspaltweite xW zu verändern, wenn eine Änderung in Menge und/oder Zusammensetzung des aufgegebenen Produktes dies erfordert.
    Das erfindungsgemäße Verfahren wird abschließend an einem Beispiel und mit Bezug auf die Fig. 7 und die Fig. 4a bis Fig. 4c nochmals erläutert.
    In einer kommunalen Kläranlage wird das Dekantiersystem der Erfindung zur Trocknung, Eindickung oder Volumenstromreduzierung von Klärschlamm, welcher ein Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoffen mit einem Gehalt an Trockensubstanz von 0.1 - 50 g/l darstellt. Angestrebt wird eine Entwässerung bis auf eine Trockensubstanzkonzentration cTS von 60 g/l.
    In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der Trommeldrehzahl nZ (Fig. 4a), der Wehrspaltweite xW (Fig. 4b) und des Volumenstroms des zugeführten Produktes (Fig. 4c) bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.
    In der mit "I" bezeichneten Phase wird die Zentrifugentrommel 20 auf eine hohe Trommeldrehzahl beschleunigt, die im Bereich der bauartbedingten, im Betrieb maximal zulässigen Drehzahl liegt.
    Wie in Fig. 4b dargestellt, wird die Wehrspaltweite xW, ausgehend von einem nahezu geschlossen Wehrspalt 33 in einer Rampenfunktion vergrößert, bis die Trommel mit dem im Betrieb vorgesehenen Volumen des Mehrphasengemisches vollständig befüllt ist, die vorgegebene Trommeldrehzahl erreicht wird und ein konstanter Volumendurchsatz in der Dekantierzentrifuge vorliegt.
    Als Abschluss der Phase "I", die die Schritte a) bis d) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst, erfolgt eine Nachregelung der Wehrspaltweite xW bis eine vorgegebene Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase 52 erreicht ist.
    Anschließend an die Nachregelung erfolgt mit Beginn der Phase "II" eine Überprüfung, ob die Wehrspaltweite xW schon innerhalb des Wehrspaltweitentoleranzbereiches 37 liegt, welcher in Fig. 4b zwischen den gestrichelten Linien dargestellt ist.
    Da die Wehrspaltweite xW noch außerhalb des Toleranzbandes liegt, kann eine Absenkung der Trommeldrehzahl nZ um einen Drehzahlstufenwert Δnz vorgenommen werden, wodurch eine Energieeinsparung erzielt wird. Die durch die Reduktion der Trommeldrehzahl niedrigere Trockensubstanzkonzentration cTS in der ausgetragenen Trockenphase wird durch eine Vergrößerung der Wehrspaltweite xW kompensiert.
    Die vorgenannten Schritte werden in den Phasen "III" und "IV" wiederholt. Am Ende der Phase "IV" befindet sich die Wehrspaltweite xW nach Durchführung der Nachregelung innerhalb des Wehrspaltweitentoleranzbereiches 37.
    Daher wird die Drehzahlregeleinrichtung 220 deaktiviert, und es wird keine weitere Absenkung der Trommeldrehzahl vorgenommen. Das Wehr 30 befindet sich nun in einer Stellung, aus der heraus das Dekantierzentrifugensystem der Erfindung auf Änderungen beim Produktzulauf in beide Richtungen reagieren kann. Der Wehrspalt 33 kann weiter geöffnet werden, um den Flüssigkeitsentzug bei einem Produkt mit geringerer Trockensubstanzkonzentration zu erhöhen. Er kann aber auch weiter geschlossen werden, wodurch bei einem stärker konzentrierten Produkt eine bestimmte Restfeuchte in der ausgetragenen Trockenphase erhalten bleibt, was ein Zusetzen der austragsseitigen Leitungssysteme verhindert.
    In Phase "V" der Fig. 4c ist eine Erhöhung der Zuflussmenge, beispielsweise auf Grund eines Regenschauers, aufgezeichnet. Gleichzeitig ist der Feststoffgehalt aber geringer. Um die Trockensubstanzkonzentration cTS des Austrags konstant zu halten, wird die Wehrspaltweite xW aus dem Toleranzbereich 37 heraus stark erhöht, um vermehrt Flüssigkeit abziehen zu können.
    Der Verfahrensablauf ist auch in dem Flussdiagramm der Fig. 7 graphisch dargestellt: Zunächst muss die Zentrifugentrommel anlaufen und das Wehr auf eine Startwehrspaltweite eingestellt werden. Es wird dann die Zuleitung des Mehrphasengemisches in die rotierende Dekantierzentrifuge geöffnet, die damit allmählich gefüllt wird. Die Flüssigkeitsphase und die Trockenphase werden kontinuierlich abgezogen.
    Mit der Wehrregeleinrichtung 210 (vgl. Fig. 1, 2) wird über die Wehrstellung die Austragskonzentration auf den gewünschten Sollwert eingeregelt. Während dieser Zeit ist die Funktion der Drehzahlregeleinrichtung 220 noch überbrückt. Nachdem diese Überbrückungszeit beendet ist, wird die Regelung freigegeben. Für den spezifischen Einsatzfall wird unter Berücksichtigung von maschinentechnischen und anlagenspezifischen Daten der optimale Arbeitspunkt der Wehrregeleinrichtung 210 festgelegt. Aus diesem Arbeitspunkt ergibt sich der Bereich in dem die Dekantierzentrifuge verfahrenstechnisch und hinsichtlich des Energieverbrauchs optimal arbeitet. Mittelage und Breite dieses Bereiches werden zur Definition eines Wehrspaltweitentoleranzbereiches herangezogen.
    Die momentane Stellung des Wehrs wird dann ermittelt und mit dem Wehrspaltweitentoleranzbereich verglichen.
    Befindet sich der Stellwert der Wehrregeleinrichtung unterhalb dieses Bereiches, ist der Dekanter nicht ausgelastet und die Trommeldrehzahl, die mit dem Energieverbrauch des Trennverfahrens direkt im Zusammenhang steht, kann um einen Drehzahlstufenwert reduziert werden.
    Verlässt der Stellwert der Regelung den Bereich in positiver Richtung, ist die Trommeldrehzahl zu niedrig und muss angehoben werden, um die Wehrposition in den Wehrspaltweitentoleranzbereich zurückzuführen.
    Ist eine der Bedingungen für die Verstellung der Trommeldrehzahl gegeben, wird geprüft, ob die Wehrregeleinrichtung ausgeregelt ist, d.h. ob die Austragskonzentration dem Sollwert entspricht. Ist das der Fall, so wird die Trommeldrehzahl angepasst. Ist die Regeldifferenz zu groß, muss zunächst die Trockensubstanzkonzentration cTS nachgeregelt werden und die Trommeldrehzahl wird erst in einem späteren Schritt verändert.
    Wurde die Trommeldrehzahl verändert, so ergibt sich für die ständig aktive Wehrregeleinrichtung möglicherweise ein neuer Arbeitspunkt. Dieser Arbeitspunkt muss von der Regelung ermittelt und angefahren werden. Dazu wird eine Erholungszeit für die Regelung gestartet. Nach Ablauf dieser Zeit beginnt wieder der Zyklus, der zur Festlegung des Wehrspaltweitentoleranzbereiches und eines erneuten Vergleichs der Wehrstellung mit dem Toleranzbereich führt.

    Claims (24)

    1. Verfahren zum Trennen eines Mehrphasengemisches (50) in wenigstens eine Flüssigkeitsphase (54) und eine Trockenphase (52) mit einer vorbestimmten Trockensubstanzkonzentration cTS,
      mittels einer Dekantierzentrifuge (100), die aufweist:
      eine ringförmige Tauchscheibe (14), die an ihrem inneren Umfang mit einer Welle (10) verbunden ist und deren Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser einer Zentrifugentrommel (20); und
      wenigstens ein endseitig an der Zentrifugentrommel (20) angeordnetes Flüssigkeitswehr mit einem Wehrspalt, durch den die Flüssigkeitsphase (54) aus der Zentrifugentrommel (20) ableitbar ist, und mit einer Teichtiefeneinstellvorrichtung, mit der die Teichtiefe xT der in der Zentrifugentrommel (20) rotierenden Flüssigkeitsphase einstellbar ist,
      mit folgenden Schritten:
      a) Anlaufen der Zentrifugentrommel (20) auf eine Starttrommeldrehzahl nZ,1 und Einstellen der Teichtiefe xT auf eine Startteichtiefe xT,1;
      b) Einleiten des Mehrphasengemisches (50) in die rotierende Zentrifugentrommel (20);
      c) Abzug der Trockenphase (52) durch die wenigstens eine Trockensubstanzaustragsausnehmung (22) und Abzug der Flüssigkeitsphase (54) durch den Wehrspalt (33);
      d) Regeln der Teichtiefe xT mittels der Teichtiefeneinstellvorrichtung in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase (52) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Trockensubstanzkonzentration cTS,1;
      gekennzeichnet durch folgende Schritte
      e) Festlegen eines Teichtiefentoleranzbereichs mit einer unteren Teichtiefe xT,U und einer oberen Teichtiefe xT,O;
      f) Vergleichen der eingeregelten Teichtiefe xW mit dem Teichtiefentoleranzbereich und fortwährende Durchführung der Schritte b) bis f) bei einer innerhalb des Teichtiefentoleranzbereiches liegenden Teichtiefe xT;
      g) Erhöhen der Zentrifugentrommeldrehzahl nZ um einen Drehzahlstufenwert ΔnZ bei einer Teichtiefe xT, die kleiner ist als die untere Teichtiefe xT,U, oder Absenken der Zentrifugentrommeldrehzahl nZ um einen Drehzahlstufenwert ΔnZ bei einer Teichtiefe xT, die größer ist als die obere Teichtiefe xT,O;
      h) Nachregeln der Teichtiefe xT in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase (52) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Trockensubstanzkonzentration cTS,0;
      i) Vergleich der nachgeregelten Teichtiefe xT mit einem vorgegebenen Teichtiefentoleranzbereich und Wiederholung der Schritte f) bis i) bei einer außerhalb des Teichtiefentoleranzbereiches liegenden Teichtiefe xT unter fortwährender Einleitung des Mehrphasengemisches (50) in die rotierende Zentrifugentrommel (20) und Abzug der Flüssigkeits- und Trockenphase (54, 52).
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dekantierzentrifuge (100) verwendet wird, deren Flüssigkeitswehr (30) aus einer Wehrplatte (32) mit wenigstens einer Flüssigkeitsausnehmung und aus einer Drosselplatte (34) besteht, die ortsfest unter Ausbildung eines Wehrspaltes (33) gegenüber der Wehrplatte (32) gelagert und axial verschiebbar ist und dass die Teichtiefe XT über eine Vergrößerung der Wehrspaltweite xW abzusenken und über eine Verringerung der Wehrspaltweite xW zu erhöhen ist, wobei dem Teichtiefentoleranzbereich ein entsprechender Wehrspaltweitentoleranzbereich mit einer unteren Wehrspaltweite XW,U und einer oberen Wehrspaltweite xW,O zugeordnet ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittelpunkt des Wehrspaltweitentoleranzbereiches (37) die Hälfte der maximalen Wehrspaltweite xW,max gewählt wird, bei welcher gerade keine Benetzung der Drosselplatte (34) durch die aus dem Wehrspalt (33) austretende Flüssigkeitsphase (54) mehr stattfindet.
    4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittelpunkt des Wehrspaltweitentoleranzbereiches (37) die in Schritt d) eingeregelte Wehrspaltweite xW gewählt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) zur Einstellung der Startteichtiefe xT,1 eine Startwehrspaltweite xW,1 entsprechend 0,5% bis 5% der maximalen Wehrspaltweite xW,max gewählt wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Wehrspaltweitentoleranzbereiches (37) zwischen einer unteren Wehrspaltweite xW,U und einer oberen Wehrspaltweite xW,O 0,5% bis 5% der maximalen Wehrspaltweite xW,max beträgt.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die Wehrspaltweite xW als lineare Funktion der Zeit erhöht wird, solange eine Regelabweichung der gemessenen Trockensubstanzkonzentration cTS von der Soll-Trockensubstanzkonzentration cTS,1 mehr als 10% beträgt.
    8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dekantierzentrifuge verwendet wird, deren Flüssigkeitswehr wenigstens einen sich axial erstreckenden, U-förmigen Flüssigkeitskanal aufweist, deren Eintrittsund Austrittsöffnungen zum Außenumfang des Flüssigkeitswehrs hin angeordnet sind und bei dem im Bereich der U-förmigen Biegung ein Druckgas unter Ausbildung einer hydrohermetischen Druckkammer einleitbar ist und dass die Teichtiefe xT durch Erhöhung des Gasdrucks zu erhöhen ist und durch Erniedrigen des Gasdruck abzusenken ist, wobei dem Teichtiefentoleranzbereich ein entsprechender Gasdrucktoleranzbereich mit einem unteren Gasdruck pU und einem oberen Gasdruck p0 zugeordnet ist.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittelpunkt des Teichtiefentoleranzbereiches die in Schritt d) eingeregelte Teichtiefe xW gewählt wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) zur Einstellung der Startteichtiefe xT,1 ein Startgasdruck p1 entsprechend 95% bis 99,5% eines maximalen Gasdrucks pmax gewählt wird.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Gasdrucktoleranzbereiches zwischen einem unteren Gasdruck pU und einem oberen Gasdruck p0 0,5% bis 5% des maximalen Gasdrucks pmax beträgt.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) der Gasdruck als lineare Funktion der Zeit gesenkt wird, solange eine Regelabweichung der gemessenen Trockensubstanzkonzentration cTS von der Soll-Trockensubstanzkonzentration cTS,1 mehr als 10% beträgt.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Starttrommeldrehzahl nZ,1 die maximal zulässige, bauartbedingte Nenndrehzahl nZ,max der Dekantierzentrifuge (100) gewählt wird.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Starttrommeldrehzahl nZ,1 dem 0,5fachen bis 0,7fachen der maximal zulässigen, bauartbedingten Nenndrehzahl nZ,max der Dekantierzentrifuge (100) gewählt wird.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlstufenwert ΔnZ 1% bis 3% der maximal zulässigen, bauartbedingten Nenndrehzahl nZ,max entspricht.
    16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlstufenwert ΔnZ 30...70 Umdrehungen pro Minute beträgt.
    17. Dekantierzentrifugensystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit wenigstens folgenden Einzelteilen:
      einer Dekantierzentrifuge (100) umfassend:
      eine Hohlwelle (10), die wenigstens ein innenliegendes Einlaufrohr (11) aufweist;
      eine um die Hohlwelle (10) rotierbare Zentrifugentrommel (20), welche mit wenigstens einer in ihren Trommelmantel (21) eingebrachten Trockensubstanzaustragsausnehmung (22) versehen ist;
      einer ringförmigen Tauchscheibe (14), die an ihrem inneren Umfang mit der Hohlwelle (10) verbunden ist und deren Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Trommelmantels (21) ;
      wenigstens ein endseitig an der Zentrifugentrommel (20) angeordnetes Flüssigkeitswehr mit einem Wehrspalt, durch den die Flüssigkeitsphase (54) aus der Zentrifugentrommel (20) ableitbar ist, und mit einer Teichtiefeneinstellvorrichtung, mit der die Teichtiefe xT der in der Zentrifugentrommel (20) rotierenden Flüssigkeitsphase einstellbar ist,
      einer Sensoreinrichtung (200) zur Messung der Trockensubstanzkonzentration cTS in der abgezogenen Trockenphase (52);
      eine Wehrregeleinrichtung (210) zur Regelung der Teichtiefe xT in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration cTS;
      gekennzeichnet durch
      eine Drehzahlregeleinrichtung (220) zur Regelung der Trommeldrehzahl nZ in Abhängigkeit von der Teichtiefe xT und von der Trockensubstanzkonzentration cTS, mit einem Konzentrationssignaleingang (221), einem Teichtiefensignaleingang (222) und einem Drehzahlsteuersignalausgang (224).
    18. Dekantierzentrifugensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dekantierzentrifuge (100) eine in dem zwischen der Hohlwelle (10) und der Zentrifugentrommel (20) ausgebildeten Kreisringraum (26) angeordnete Förderschnecke (40) aufweist, die mit der Hohlwelle (10) mit einer Schneckendrehzahl nS rotierbar ist, welche gegenüber der Trommeldrehzahl nZ um eine Differenzdrehzahl ΔnS erhöhbar ist.
    19. Dekantierzentrifugensystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitswehr (30) aus einer Wehrplatte (32) mit wenigstens einer Flüssigkeitsausnehmung und aus einer Drosselplatte (34) besteht, die ortsfest unter Ausbildung eines Wehrspaltes (33) gegenüber der Wehrplatte (32) gelagert und axial verschiebbar ist.
    20. Dekantierzentrifugensystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitswehr (330) wenigstens einen sich axial erstreckenden, U-förmigen Flüssigkeitskanal aufweist, deren Eintritts- und Austrittsöffnungen (331, 332) zum Außenumfang des Flüssigkeitswehrs (330) hin angeordnet sind und bei dem im Bereich einer U-förmigen Biegung (333) Druckgas unter Ausbildung einer hydrohermetischen Druckkammer über eine Druckgasleitung (334) einleitbar ist.
    21. Dekantierzentrifugensystem nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlregeleinrichtung (220) während der Regelung der Teichtiefe xT durch die Wehrregeleinrichtung (210) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Trockensubstanzkonzentration cTS mittels einer Deaktivierungseinrichtung (215) deaktivierbar ist.
    22. Dekantierzentrifugensystem (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wehrregeleinrichtung (210) ein PI-Regler oder ein PID-Regler ist.
    23. Dekantierzentrifuge (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlregeleinrichtung (220) ein Schrittregler ist, der einen Teichtiefensignaleingang (222), eine Konzentrationssignaleingang (221) und einen Drehzahlsteuersignalausgang (224) aufweist.
    24. Dekantierzentrifuge (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Teichtiefensignaleingang (221) der Drehzahlregeleinrichtung (220) und der Wehrsteuersignalausgang (214) der Wehrregeleinrichtung (210) direkt miteinander verbunden sind.
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