Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Mikroblasen zum Aufschwimmen fei'ner Feststoffanteile insbesondere in Flotationsanlagen. Gegenstand der Erfindung ist eine Einheit, in der sowohl die Begasung, wie auch die Entspannung der Flüssigkeit erfolgt. Vor einer Kreiselpumpe (1) zur Druckerhöhung wird vorrangig Luft in die Flüssigkeit eingesaugt, darin gelöst und danach bei der Entspannung im Kavitationsberβich als Mikroblasen wieder abgegeben. Das Ziel der Erfindung ist die blasenfreie Herstellung der begasten Flüssigkeit und deren gezielte Entspannung. Erfindungsgemäß wird noch nicht gelöste Luft durch eine Düse (12) zwischen der Saugkammer (2) und Druckkammer (3) im Kreislauf geführt. Schon in der Rotationskammer (15) wird ein Vakuum erzeugt, welches den Dampfdruck unterschreitet. Danach bilden sich doppelseitig an den beiden, im Durchmesser gleich großen Kanten des Ringspaltes zwei ringförmige Kavitationsfelder aus. Bei hoher Geschwindigkeit kann hier Luft in den entstehenden Wasserdampf eindringen und Mikroblasen im μm-Bereich bilden und gleichzeitig zur weitgehenden Entgasung der Flüssigkeit führen. Titel der Erfindung Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen

Anwendungsgebiet Das Aufgabengebiet der Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von in Kavitationsfeldern gebildeten Mikroblasen, die zum Aufschwimmen feiner Feststoffanteile insbesondere für Flotationsanlagen genutzt werden.

Charakterisierung der bekannten technischen Lösungen Die Erzeugung von Mikroblasen unter den Bedingungen der Kavitation setzt die Herstellung einer unter Druck stehenden begasten Flüssigkeit voraus, in der die für die Mikroblasen erforderliche Gasmenge, insbesondere Luft, in gelöster Form eingetragen ist. Die Luftsättigung von Wasser in Abhängigkeit von Druck und Temperatur wurde von H. Dalton beschrieben. Die wichtigste Bedingung zur Erzeugung von Mikroblasen ist das Unterschreiten des Dampfdruckes der verwendeten Flüssigkeit. Entsprechend bekannter Dampftabellen liegt dieser Wert bei Wasser, beispielsweise bei 18° C, bei 0,02 bar und bei 60° C bei 0.2 bar. Wie in vielen anderen Anwendungsfällen wird in der Patentschrift DE 37 33 583 C2 der gereinigte Teilstrom aus einer Flotationszelle mit einer Kreiselpumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht und in einem Druckkessel mit Druckluft begast. Die Erzeugung der Mikroblasen erfolgt in diesem FaIi über eine Entspannung in einer Hohlkegeldüse. Um den Einsatz eines Druckkessels zu vermeiden, wird in der Offenlegungsschrift DE 40 14 088 A1 ebenfalls Druckluft hinter der Pumpe zur Druckerhöhung eingebracht und auf den Druckkessel verzichtet. Ein ähnliches Prinzip verfolgt die Offenlegungsschrift DE 198 10 650 A1. In der Schrift DE 37 29995 C2 wird dagegen das Luftgemisch vor einer mehrstufigen Kreiselpumpe zur Druckerhöhung zugegeben. Dadurch kann auf eine Drucklufterzeugung verzichtet werden. Die Erzeugung der Mikroblasen erfolgt in einem Entspannungsventil. Der kurzzeitige Durchgang der zu begasenden Flüssigkeit durch die mehrstufige Kreiselpumpe bedingt aber, daß mit höheren Drücken gearbeitet werden muß. Dies hat nicht nur einen höheren Energieaufwand zur Folge, sondern bedeutet auch, daß die Entspannung von einem höheren Druckniveau aus erfolgen muß, Zwangsläufig entstehen dadurch größere Mikroblasen, die nicht so gut in der Lage sind, sich an Feinteile anzuheften wie kleinere Blasen. Der schnelle Durchgang hat weiterhin den Nachteil, daß sich Blasen nicht gelöster Luft zwischen den Mikroblasen befinden und nach der Entspannung die Flüssigkeit noch nicht vollständig entgast ist. Auf dem Weg zur Flotationszelle vergrößern sich dadurch die Mikroblasen weiter, wodurch es zu einer Verschlechterung der Abscheideleistung der Flotationsanlage insbesondere bei den schwer zu entfernenden feinen Bestandteilen kommt.

Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung ist es daher, die Lösung der Luft in der Flüssigkeit in einem möglichst niedrigen Druckniveau und dadurch mit einem geringen Energieaufwand durchzuführen, den Durchgang von nicht gelöster Luft durch die Vorrichtung zu vermeiden, eine gezielte Erzeugung von möglichst vielen kleinen Mikroblasen in den Kavitationsfeldern im μm-Bereich zu gewährleisten, sowie einen möglichst großen Anteil der in der begasten Flüssigkeit vorhandenen-und dort noch in gelöster Form vorliegenden Luft in der Entspannungseinrichtung in Mikroblasen zu überführen. Durch den Einsatz solcher Einrichtungen im industriellen Dauerbetrieb ist ein robuster und einfacher Aufbau unter der Verwendung von möglichst wenigen bewegten Teilen von besonderer Bedeutung.

Merkmale der Erfindung Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Nutzung der, bei einem tangentialen Eintritt in die zylindrischen Kammern, entstehenden Zentrifugalkräfte. So wird die in der Kreiselpumpe noch nicht gelöste Luft durch die Rotation in der Druckkammer in dessen Zentrum befördert und gelangt von hier aus, durch eine Düse zwischen der Saug- und der Druckkammer sowie durch die aufstromseitige Anordnung einer Wehrscheibe, zurück in die Saugkammer. Die Größe der Düse ist so zu bemessen, daß nur bis zur Hälfte der durch die Vorrichtung gelangenden Flüssigkeit im Kreislauf zurückgeführt wird. Zur Nutzung der kinetischen Energie ist der Strahl der Düse bei gleicher Drehrichtung auf den Saugstutzen der Pumpe gerichtet. Weiterhin wurde gefunden, daß ein Unterschreiten des Dampfdruckes durch Zentrifugalkräfte kurz vor der Entspannung der Flüssigkeit eine hohe Wirkung auf die Mikroblasenbildung ausüben kann. So wird bereits in der Rotationskammer kurz vor dem Ringspait durch die dort herrschenden Zentrifugalkräfte ein Vakuum erzeugt, welches Dampf aus der Flüssigkeit austreten läßt. Um dies zu erreichen, wird über zwei schlitzförmige tangentiale Öffnungen im zylindrischen Teil der Rotationskammer die Flüssigkeit mit einer solchen Geschwindigkeit eingeleitet, daß durch den sich anschließenden konischen Teil unter Berücksichtigung der Drallerhaltung im Bereich vor dem Ringspalt im entstehenden Vakuum der Dampfdruck unterschritten wird. Der entstehende rotierende dünne Dampfkegel, der sich in Bruchteilen von Sekunden ständig neu bildet, wird durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit fortwährend in den Ringspalt gerissen. In diesen Dampfkegel dringen bereits erste Spuren von Luft ein, die auch dazu beitragen, daß nach dem Durchgang durch den Ringspalt neben der Mikroblasenbildung die Flüssigkeit weitgehend entgast ist. Bei der Auslegung der Entspariήuήgseinrichtung wird davon ausgegangen, daß bei einer Geschwindigkeit von zirka 25 m/sec an den Außenkanten des Ringspaites sich ein guter Effekt der Kavitation einstellt. Dementsprechend ergibt sich in Abhängigkeit von der durchzusetzenden Menge an Flüssigkeit die offene Fläche des Ringspaltes. Weiterhin wurde gefunden, daß die kleinste Kreisfläche in der Rotationskammer an der engsten Stelle im Konus etwa die dreifache Größe der offenen Fläche des Ringspaltes haben muß. An dieser Stelle besitzt die Flüssigkeit die höchste Rotationsgeschwindigkeit. Die Abrißkanten am äußeren Durchmesser des Rindspaltes sind gleich groß und scharfkantig auszuführen. Durch die hohe Geschwindigkeit der Strömung und durch die auftretende Kavitation sind diese Kanten besonders hohen Belastungen ausgesetzt und aus Gründen des Verschleißes gehärtet, in Hartmetall oder Hartkeramik auszuführen.

Ausführungsbeispiel Figur 1 zeigt einen Schnitt durch die Rotationsachse der Vorrichtung, wobei die Kreiselpumpe nur in der Seitenansicht dargestellt ist. Weiterhin sind in Figur 1 die Angaben zu den Schnitten A-A, B-B und C-C für die Figuren 2 bis 4 eingetragen. Figur 2 zeigt einen Schnitt A-A in Richtung der Kreiselpumpe (1) durch die Saugkammer (2). Figur 3 und Figur 4 zeigen die Schnitte B-B und C-C von der Kreiselpumpe weg durch die Druckkammer (3). Figur 5 zeigt eine Vergrößerung der Figur 1 im Bereich der Bildung der Mikroblasen. Figur 6 und 7 zeigen den Bereich der Bildung der Mikroblasen mit drei Ringspalten. Durch die Rotation der Kreiselpumpe (1 ) wird in der zylindrischen Saugkammer (2) ein Unterdruck erzeugt, der mit dem Ventil (4) in der erforderlichen Größe gehalten werden kann. Die Flüssigkeit (5), beispielsweise gereinigtes Wasser einer Flotationsanlage, wird damit in den Saugraum gezogen. Der Unterdruck bewirkt weiterhin, das über das Nadelventil (6) die in der Flüssigkeitsmenge lösbare Luft (7) angesaugt wird. Die Luftmenge ist vom Pumpendruck und der Temperatur der Flüssigkeit abhängig und beträgt etwa 6-8 % des Flüssigkeitsdurchsatzes durch die Vorrichtung. Über den Saugstutzen (8) gelangen Flüssigkeit und Luft in die Kreiselpumpe (1 ). Durch die turbulente Druckerhöhung löst sich ein Teil der Luft in der Flüssigkeit und wird über den Druckstutzen (9) und die Verbindung (10) tangential in die zylindrische Druckkammer (3) eingeleitet. Die tangentiale Einbindung bewirkt eine intensive Rotation der Flüssigkeit, so daß die als Blasen verbliebenen nicht gelösten Luftanteile in das Zentrum gedrückt werden. Saugkammer (2) und Druckkammer (3) sind durch die Zwischenwand (11 ) voneinander getrennt. In der Mitte dieser Zwischenwand (11 ) befindet sich eine Düse (12), durch die die noch nicht gelösten Luftanteile mit einem Teilstrom der Flüssigkeit in den Saugraum (2) zurück gelangen. Zur Nutzung der im Teilstrom vorhandenen Energie ist die Düse (12) so angeordnet, daß ihr Strahl wie ein Injektor in den Ansaugstutzen (8) spritzt. Durch die Rotation befindet sich im äußeren Zentrifugalfeld der Druckkammer (3) nur noch begaste blasenfreie Flüssigkeit. Die Wehrscheibe (13) sichert, daß ungelöste Luft nur durch die Düse (12) den Druckraum (3) verlassen kann. Hinter der Wehrscheibe (13) sind zwei halbrunde Flügel (14) so angeordnet, daß über die beiden Schlitze die Flüssigkeit in gleicher Drehrichtung in die Rotationskammer (15) einströmt. Die Schlitze sind so dimensioniert, daß ausgehend von der durchgesetzten Flüssigkeitsmenge und durch die weitere konische Verjüngung (16) im Zentrum der Rotationskammer (15), nahe dem Ringspalt des Einstellventiles (17) eine hohe Drehgeschwindigkeit herrscht. Durch die radial nach außen wirkenden Zentrifugalkräfte entsteht ein solches Vakuum, daß der Dampfdruck der Flüssigkeit unterschritten wird und sich ein rotierender dünner Dampfkegel ausbildet. Erst an de'n Oberflächen zwischen Flüssigkeit und Dampf können erste Spuren an Luft wieder aus der Flüssigkeit entweichen Und bilden so die Grundlage für die nachfolgende Mikroblasenbildung und weitgehende Entgasung der Flüssigkeit. Mit dem Einstellventil (17) wird die Spaltweite des Rinspaltes (18) fixiert. Der Ringspalt wird durch den an der konischen Verjüngung (16) feststehenden Ring (19) und dem gegenüber liegenden Ventildeckel (20) gebildet.. Beide Teile haben den gleichen Durchmesser und scharfe Kanten im Winkel von mindestens 90 Grad. Die hohe Ausströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit in die Ausströmkammer (21) erzeugt an den äußeren Flächen von Ventildeckel und Ring ebenfalls ein Vakuum, daß den Dampfdruck der Flüssigkeit unterschreitet. Die in den Dampf der Flüssigkeit eindringende Luft wird in Spuren mit fortgerissen. Der Dampf kondensiert durch die Druckentspannung in die Ausström kam mer mit dem der Kavitation typischen Geräusch. Die nun mit Mikroblasen behaftete, weitgehend entgaste Flüssigkeit (22) verläßt die Vorrichtung über den Rohrstutzen (23). Bei größeren Durchsätzen an Flüssigkeit durch die Vorrichtung kommen mehrere Ringspalte zur Anwendung. Figur 6 und 7 zeigen eine Anordnung mit drei Ringspalten. Am Einstellventil (17) sind dazu drei Führungsstifte (24) befestigt, auf die hohlzylindrische Gummifedern (25) und dreieckige Führungsbleche (27) aufgeschoben werden. Am Einstellventil (17), an den Führungsblechen (27) und an der konischen Verjüngung (16) sind Ringe (28) angeordnet, die jeweils gegenüberliegend die drei Ringspalte bilden. Beim Einstellen der für eine optimale Mikroblasenbildung erforderlichen Spaltweite über das Einstellventil (17) werden durch die gleichmäßige Steifigkeit der Gummifedern (25) die Spalte gleichweit geöffnet beziehungsweise geschlossen.