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Technische Chemie II Vorlesung Z e n t r i f u g a t i o n.

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Präsentation zum Thema: "Technische Chemie II Vorlesung Z e n t r i f u g a t i o n."—  Präsentation transkript:

1 Technische Chemie II Vorlesung Z e n t r i f u g a t i o n

2 2 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

3 3 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

4 4 Einführung Im Zentrifugalfeld lassen sich somit Trennprozesse erheblich effizienter und schneller gestalten  Abscheidekräfte um ein Vielfaches größer als im (Erd-) Schwerefeld Einsatzbereich der Zentrifugen:  die Trennung von Suspensionen und Emulsionen Zentrifugation (Zentrifugal- oder "Fliehkraftabscheidung) ist das Trennen der Phasen eines dispersen Systems mit Hilfe der Zentrifugal- oder Fliehkraft.

5 5 Physikalische Grundlagen Ein Partikel mit der Masse m bewegt sich mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit u auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um den Mittelpunkt Z. Beschleunigung a Z Richtung des Zentrums ist: mita Z = Zentrifugalbeschleunigung [m/s²] ω = Winkelgeschwindigkeit [1/s] u = Umfangsgeschwindigkeit [m/s] r = Radius [m] n= Drehzahl der Zentrifugation [1/s] (1-1)

6 6 Das Kräftegleichgewicht im Zentrifugalfeld ist vergleichbar mit dem im Schwerefeld. Bewegt sich ein Partikel oder ein Flüssigkeitselement mit der Masse m und der Umfangsgeschwindigkeit u auf einem Radius r, so wirkt an ihm neben der Gewichts- kraft F g die Zentrifugalkraft F Z (meist ein Vielfaches von F g ). ZentrifugalkraftGewichtskraft Vergleich zwischen Sedimentation und Zentrifugation  Verhältnis von Zentrifugal- beschleunigung a Z zur Erdbeschleunigung g. (1-3) Physikalische Grundlagen Z = ist der Beschleunigungsfaktor bzw. Schleuderziffer (~zahl)  Maß für die Trennwirkung einer Zentrifuge. (1-4) mitg= Erdbeschleunigung [9,81 m/s]

7 7 Die Absetzgeschwindigkeit v Z im Zentrifugalfeld ist daher um das Z-fache größer als die “statische” Sedimentationsgeschwindigkeit v 0. Physikalische Grundlagen (1-5) Die erforderliche Trennfläche A Z ist bei gleichem Durchsatz um das Z-fache kleiner als die Trennfläche A S bei der Schwerkraftsedimentation. (1-6) Trennpartikelgröße d P bei der Zentrifugation (im laminaren Bereich - Stoke‘schen Bereich): (1-7)

8 8 Erzeugung des Zentrifugalfeldes:  Das disperse System wird einem rotationssymmetrischen Gehäuse unter Überdruck so zugeführt, dass eine Wirbelströmung entsteht (nur die Suspension rotiert; das Gehäuse steht still). Diese Art der Fliehkrafterzeugung wird im Zyklon realisiert.  Das disperse System liegt im Flüssigkeitsring an der Wand einer rasch rotierenden Trommel (Drehrohr). Die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeitsring und Wand ist Null. Verwirklicht wird dieses Prinzip durch die Zentrifuge. Physikalische Grundlagen

9 9 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

10 10 Zyklone Aufbau: zylindrischer Teil mit Eintrittsstutzen Tauchrohr konischer, schlanker Teil Funktionsweise: Drehströmung durch tangentiale Zuführung der Suspension Suspension wird mit Pumpe durch den Zyklon gedrückt  Umwandlung hydrostatischer Energie in Geschwindigkeitsenergie Partikeln werden zentrifugal beschleunigt Sedimentaustrag im Unterlauf geklärtes Fluid durch Tauchrohr in Überlauf

11 11 Zyklone

12 12 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

13 13 Zentrifugen Zentrifugen sind Trennapparate, die durch einen Rotor gekennzeichnet sind. Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen (3-1) Vorgaben: Relativgeschwindigkeit v Z des Partikels gegenüber Fluid gering Partikeldurchmesser klein  Bewegung nach Stokes-Gesetz: (3-2) mitr 0 = Radius der Trommel [m]  Die abzutrennenden Partikeln bewegen sich mit nahezu gleicher Winkel- geschwindigkeit , wie der Zylinder bzw. Rotor.  Zentrifugalbeschleunigung wächst mir Radius r (Maximum an der Trommelwand bei Radius r 0 )  Bewegung des Partikels ist charakterisiert durch Reynolds-Zahl

14 14 Auslegung von Zentrifugen Absetzgeschwindigkeit ist abhängig vom Radius r  in erster Näherung: mittlerer Radius mitr i = Innenradius des Flüssigkeitsrings [m] r 0 = Radius der Trommel [m] (a)Rotationsparaboloid des Fluids bei geringer Trommeldrehzahl (b)Flüssigkeitsverteilung bei voller Trommel- drehzahl Bestimmung der Klärfläche A Z (3-3) mitF g = Gewichtskraft F Z = Zentrifugalkraft F R = Resultierende L= Trommellänge

15 15 Auslegung von Zentrifugen Bestimmung der Absetzzeit t Z in Gleichung 3-2 (3-4) Berechnung Zentrifugendurchsatz mit Annahme: Absetzzeit = Verweilzeit und (3-5) Erweiterung mit Erdbeschleunigung g (3-6) mitV Z = Flüssigkeitsvolumen der Zentrifuge [m³]  AZ AZ  Z  v 0 (3-7)

16 16 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1Bauformen von Separatoren 3.2.2Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3Filtrationszentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

17 17 Klassifizierung von Zentrifugen Einteilung nach Bauart:  Sedimentationszentrifugen mit Vollmanteltrommel  Trennprinzip: Sedimentation (Separatoren, Dekanter)  schwere Phase sammelt sich im Zentrifugenmantel  Sieb- oder Filtrationszentrifugen mit Lochtrommel  Trennprinzip: Feststoff wird durch Siebtrommel zurückgehalten (ähnelt der Filtration)  Flüssigkeit wird durch Siebtrommel vom Feststoff getrennt Zentrales Trennorgan einer Zentrifuge ist eine rotierende Trommel.

18 18 Klassifizierung von Zentrifugen

19 19 Klassifizierung von Zentrifugen Einteilung nach Betriebsweise: Bauformen von Separatoren: diskontinuierlich kontinuierlich Röhrentrommel KammertrommelTellertrommel

20 20 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1Bauformen von Separatoren 3.2.2Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3Filtrationszentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

21 21 Separatoren Funktionsweise: Kammertrommel  Flüssigkeit strömt von innen nach außen  Klärung findet in der dünnen, axial strömenden zylindrischen Schicht statt  Schichtdicke lässt von Kammer zu Kammer nach (von innen nach außen)  effektiver Absatzweg verringert (von innen nach außen)  das wirkende Zentrifugalfeld steigt an  größere Partikeln werden in innen liegenden Kammern / kleinere Partikeln in äußeren Kammern abgeschieden Klassierwirkung in einer Kammertrommel Vorteile: gleichbleibend guter Kläreffekt (bis Kammern mit Feststoff gefüllt) großes Feststoffvolumen Nachteile:  nur diskontinuierlicher Betrieb  nicht einsetzbar zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen  manuelle Reinigung erforderlich (Ausbau der einzelnen Kammern)

22 22 Separatoren wirtschaftlich optimale Lösung zur Erlangung maximaler äquivalenter Trennflächen  Einbau konischer Teller Tellerseparator (Vielzahl parallel geschalteten Einzelseparierungsräume zwischen Tellern) Unterscheidung nach Funktion: TrennerKlärer Aufbau:  Abstand der Teller variiert je nach Konsistenz der Flüssigkeit und Feststoffart (zwischen 0,25 bis 2 mm)  Flüssigkeitsstrom wird in viele dünne Schichten zerlegt  Minimierung des Absetzweges Vorteile: guter Trenneffekt Selbstreinigung der Teller (richtige Auslegung des Tellerwinkels und Tellerabstands) universelle Einsatzmöglichkeiten

23 23 Separatoren Unterscheidung nach Betriebsweise: diskontinuierlich kontinuierlich (selbstentleerend) Begrenzung des Schleuderraums durch zylindrischen Trommelmantel Vergrößerung der äquivalenten Klärfläche (d.h. die Höhe H des Tellerpaketes) nicht beliebig aus Gründen der Balance (Verhältnis von Trommelhöhe zum Trommeldurchmesser < 1) Schleuderraumwände sind doppelt konisch Festlegung des größten Durchmessers D a (nach maximaler Werkstoffbelastung) Festlegung der Tellerwinkel und Winkel der Schleuderraumwände  größter konstruktiver Telleraußendurch- messer und maximale Höhe H des Tellereinsatzes ergeben sich Tellerseparator

24 24 Separatoren Quelle: Flottweg GmbH

25 25 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1Bauformen von Separatoren 3.2.2Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3Filtrationszentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

26 26 Dekanter Der Dekanter ist eine horizontal gelagerte Schneckenzentrifuge mit zylindrisch-konischer Vollmanteltrommel. Funktionsweise: Die mit einer etwas größeren Drehzahl als die Trommel drehende Schnecke fördert den ausgeschleuderten Feststoff kontinuierlich zum Austrag. Baugruppen eines Dekanters: Gehäuse Trommel Schnecke Einlaufrohr Ablaufsystem für die geklärte Flüssigkeit / Feststoffe Antriebseinheit Unterscheidung nach Betriebsweise:  Gleichstromdekanter beide Phasen (Feststoff und Flüssigkeit) bewegen sich in der Trommel gleichsinnig  Gegenstromdekanter die geklärte Flüssigkeit läuft dem abgeschleuderten Feststoff entgegen

27 27 Dekanter Skizze: Gegenstromdekanter n S > n T

28 28 Dekanter Quelle: Flottweg GmbH

29 29 Dekanter 3-Phasen-Dekanter Funktionsweise:  Feststoffe setzen sich an der Trommelwand ab und werden von einer Schnecke in Richtung konische Trommel und Trockenzone gefördert  Feststoffe werden durch Auswurfbohrungen in Feststoffgehäuse ausgeworfen  spezifisch leichtere Flüssigkeit schwimmt auf und strömt mit anderer flüssiger Phase in Richtung eines zweiten Konus  dort werden die beiden Flüssigkeiten von den entgegengesetzt gewundenen Schneckengängen erfasst  leichtere Flüssigkeit fließt über separate Ausflussbohrungen ab und dichtere Flüssigkeit wird im Ringspalt zwischen Konus und Trommelwand abgezogen

30 30 Trikanter Quelle: Flottweg GmbH

31 31 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.2.1Bauformen von Separatoren 3.2.2Arbeitsweise des Dekanters 3.2.3Filtrationszentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

32 32 Filtrationszentrifugen Diskontinuierliche Filtrationszentrifugen Funktionsweise:  chargenweise Zufuhr der Suspension  Aufbau eines Filterkuchens  Filtrat passiert die Siebtrommel  Filterkuchen wird von Hand ausgetragen horizontalvertikal

33 33 Filtrationszentrifugen Kontinuierliche Filtrationszentrifugen Siebschnecken-Filtrationszentrifuge  besitzt konische Lochtrommel  Auflockerung und Umwälzung des Feststoffs durch Schnecke  Feststoffaustrag durch Schnecke

34 34 Filtrationszentrifugen einstufige Schub-Filtrationszentrifuge  durch einen hin- und herbewegten Kolben wird der Filterkuchen über ein Spaltsieb geschoben Kontinuierliche Filtrationszentrifugen

35 35 Filtrationszentrifugen Schwing-Filtrationszentrifuge  Feststoff bewegt sich durch Trägheitskräfte (hervorgerufen durch Rotation und Schwingungen)  Exzenter erzeugen Vibration und verbessern Trennwirkung und Austrag Kontinuierliche Filtrationszentrifugen

36 36 Filtrationszentrifugen Taumel-Filtrationszentrifuge  Trommelachse hat konstante Neigung  Filtertrommel dreht sich um die Hohlwelle und langsam um eigene Achse  Drehbewegung um Trommelachse ermöglicht Kuchenaustrag Kontinuierliche Filtrationszentrifugen

37 37 Filtrationszentrifugen Schäl-Filtrationszentrifuge  Bilden eines Filterkuchens am Trommelmantel  Ausschälen des Sediments für thixotrope Rückstände  Schällöffel für kristalline Rückstände  Schälmesser  Ständer mit Antrieb  feststehendes Gehäuse  Verschlussvorrichtung  Deckel mit Einfüllrohr  Trommel  Schälrohr mit Spindel  Abflussstrutzen Kontinuierliche Filtrationszentrifugen

38 38 Gliederung 1Physikalische Grundlagen der Zentrifugation 2.Zyklone 3.Zentrifugen 3.1Grundbegriffe und Auslegung von Zentrifugen 3.2Klassifizierung der Zentrifugen 3.3Systematik der Zentrifugen nach verfahrenstechnischen Aufgaben

39 39 Systematik der Zentrifugen Einteilung nach verfahrenstechnischen Aufgaben

40 40 Einsatzgebiete von Zentrifugen

41 41 Auswahlkriterien für Zentrifugen

42 42 Literatur Gliederung

43 43 Literatur  V. Müller, „Grundoperationen chemische Verfahrenstechnik“ Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie GmbH, Leipzig, 1992  A. Hackl, Skriptum "Mechanische Verfahrenstechnik I“ Technische Universität, Wien, 1986  E. Müller, „Mechanische Trennverfahren“ Band 1 und 2, Salle + Sauerländer Verlag, Frankfurt/Main, 1980  P. Winkel, „Wasser und Abwasser“ Leuze Verlag, Saulgau, 1992

44 44 Literatur  Prospekte Fa. Westfalia Separator  Ullmann, „Processes and Process Engineering“ Band 2, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2004  W.R.A.Vuack, H.A. Müller „Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik“ überarbeitete und erweiterte Auflage, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2000  M. Stieß „Mechanische Verfahrenstechnik 1“ 2. Auflage, Springer Verlag 1995


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