Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Hydrozyklon zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21.

Verfahren dieser Art sind in der Lage, mit Hilfe von Zentrifugalkräften mindestens eine Schwerfraktion und mindestens eine Leichtfraktion zu bilden und durch entsprechende Austragsöffnungen aus dem verwendeten Hydrozyklon herauszuleiten.

Bekanntlich führen die Zentrifugalkräfte in einem Hydrozyklon dazu, dass sich die Schwerfraktion radial weiter außen und die Leichtfraktion im zentralen Bereich des Hydrozyklons anreichern. Verfahren dieser Art werden z.B. angewendet, um die Papierfasern aufzuteilen nach den Kriterien: grob/fein, dickwandig/dünnwandig, steif/biegsam, Frühholzfaser/Spätholzfaser, höherer Mahlgrad/geringerer Mahlgrad. Oft wird dann die Schwerfraktion auch als Grobfraktion und die Leichtfraktion als Feinfraktion bezeichnet. Solche Fraktionieraufgaben stellen sich insbesondere bei der Zellstoff- und Holzstofferzeugung, in zunehmendem Maße auch bei der Altpapierverarbeitung. Dabei sollen die Fasereigenschaften optimiert oder auch Splitter oder feine Störstoffe entfernt werden. Die Anforderungen an solche Verfahren sind besonders hoch, da - anders als z.B. bei Metallteilen - nur geringe Dichteunterschiede der zu trennenden Fraktionen vorliegen.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens werden daher vorzugsweise solche Hydrozyklone verwendet, die auf Grund ihrer geometrischen Gestaltung hohe Zentrifugalkräfte erzeugen können, insbesondere im Bereich von über 400-facher Erdbeschleunigung ("400 g"). Hochwirksame Cleaner bringen es auf bis zu 1000 g.

Ein Betriebs-Parameter, der für die Wirksamkeit dieses Trennverfahrens eine bedeutende Rolle spielt, ist der Faserstoffgehalt (Konsistenz) der Papierfasersuspension. Bekanntlich wird die Zähigkeit einer solchen Suspension in dem hier betrachteten Bereich mit zunehmendem Faserstoffgehalt

größer, was im Allgemeinen den Trenneffekt verschlechtert. Aus diesem Grunde werden Verfahren der hier betrachteten Art typischerweise bisher bei einem Faserstoffgehalt von nicht über 0,5 % durchgeführt, wenn eine hohe Trennschärfe benötigt wird. Bei der industriellen Nutzung des Verfahrens, insbesondere wenn die enthaltenen Papierfasern zur Papiererzeugung verwendet werden sollen, führt das wegen der großen Flüssigkeitsmengen zu einem relativ großen apparativen und energetischen Aufwand. Es besteht daher das Bestreben, die Konsistenz ohne Nachteile anheben zu können, wobei z.B. eine Steigerung von 0,5 auf 1 % zu einer Halbierung des benötigten Mengenstromes führen würde. Es hat sich aber gezeigt, dass die Beeinträchtigung der Trennwirkung bei bisher bekannten Verfahren zu durchaus feststellbaren Nachteilen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bekannten Verfahren so zu verbessern, dass mit ihnen eine noch höhere Trennwirkung erzielt wird. Der Betrieb soll auch bei für solche Verfahren relativ hoher Konsistenz gute Ergebnisse liefern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und Anspruch 21 genannten Merkmale gelöst.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht im Wesentlichen darauf, dass die zugegebene Papierfasersuspension bei ihrem Strömungsweg durch den Hydrozyklon nach einigen Umdrehungen im Einlaufbereich eine immer enger werdende Kammer durchströmen muss. Es ist anzunehmen, dass dadurch der Zusammenhalt der Fasersuspension gelockert wird, dass sich also benachbarte Fasern leichter voneinander lösen können, was ihre Beweglichkeit relativ zueinander erhöht. Dadurch wird die Auswirkung der angreifenden Zentrifugalkräfte verstärkt, also die Fraktionierung begünstigt.

Der Eintritt der Fasersuspension in den zweiten Ringraum kann über eine Engstelle erfolgen, deren Ringspalt eine geringe radiale Spaltweite aufweist. Dadurch haben dort alle Teile der Suspension etwa den gleichen radialen Abstand zu den Wänden des Hydrozyklons. Das heißt die radiale Ausgangsposition zur Fraktionierung ist für alle Teile der Suspension praktisch gleich.

In vorteilhaften Ausführungsformen kann die Papierfasersuspension im Bereich der Engstelle durch Zugabe z.B. von Rückwasser verdünnt werden, was aus den bereits erklärten Gründen die Trennwirkung des Hydrozyklons erhöht. Dabei wird die Verdünnungsflüssigkeit mit Vorteil so

zugeführt, dass Strömungsgeschwindigkeit und -richtung an der Mischstelle möglichst der der Papierfasersuspension entsprechen.

Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass mit Hilfe des Verfahrens eine gute Faserfraktionierung im Bereich von 0,5 % bis 1,5 % Faser-Konsistenz nach Zugabe des Verdünnungswassers möglich ist. Dabei liegt die Konsistenz am Zulauf in den Hydrozyklon ca. ein Drittel höher.

Bekanntlich führt die Fraktionierung nicht nur zur bereits beschriebenen Aufteilung der Fasern, sondern auch dazu, dass in der Schwerfraktion eine höhere Konsistenz vorliegt als in der Leichtfraktion. Daher ist es in speziellen Ausführungsformen von Vorteil, die Zugabe von Verdünnungswasser so zu bemessen, dass die Eindickung der Schwerfraktion in etwa ausgeglichen wird. Insbesondere dann, wenn eine mehrstufige Fahrweise gewünscht wird, bei der also die Schwerfraktion erneut einem Hydrozyklon zugeführt werden soll, kann das Verfahren dadurch wesentlich vereinfacht werden.

Grundsätzlich kann aber auch bei weniger anspruchsvollen Trennaufgaben die erfindungsgemäße Verbesserung der Trennwirkung durchaus solche Vorteile haben, dass der apparative Aufwand gerechtfertigt ist. Das sind z.B. Verfahren, bei denen faserfremde Verunreinigungen, wie z.B. Sand, Metallteilchen oder Kunststoffteilchen ausgeschieden werden, deren Dichte sich jeweils von der des sie umgebenden Mediums unterscheidet. Auch dann ist die Möglichkeit, eine höhere Konsistenz als für solche Aufgaben bisher möglich einstellen zu können, ein echter Vorteil.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Hydrozyklon zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Seitenansicht, geschnitten;

Fig. 2-4 verschiedene Verdrängungskörper zum Einsatz in den Hydrozyklon; Fig. 5 den Hydrozyklon der Fig. 1 in Ansicht von oben; Fig. 6 ein Anlagenbeispiel in stark vereinfachter Form; Fig. 7 eine Variante mit waagerecht angeordnetem Hydrozyklon; Fig. 8 - 10 je einen weiteren Hydrozyklon zur Durchführung des Verfahrens.

In Fig. 1 ist in schematischer Form ein zur Durchführung des Verfahrens geeigneter Hydrozyklon dargestellt. Dieser besteht hier im Wesentlichen aus einem zylindrischen Abscheideraum mit einer Innenwand 14 und weist ein Einlaufende 2 und ein Auslaufende 3 auf. Durch einen am Einlaufende 2 angeordneten Einlauf 10 wird die Papierfasersuspension S eingeleitet und in Rotation versetzt (Tangentialeinlauf). Die rotierende Suspensionsströmung gelangt in einen ersten Ringraum 4, der sich in axialer Richtung stetig verengt, wodurch sich am Ende dieses ersten Ringraumes 4 eine Engstelle 8 bildet. Seine axiale Länge 15 ist hier etwa halb so groß wie der größte Durchmesser 13 der Innenwand 14. Stromabwärts dieser Engstelle 8 liegt ein zweiter sich in axialer Richtung wieder erweiternder Ringraum 5 mit einer axialen Länge 16 fast so groß wie der Durchmesser 13 der Innenwand 14. Dabei ist hier eine stetige Erweiterung vorgesehen, um störende Wirbel oder Ablösungen zu vermeiden. In anderen Fällen kann diese Erweiterung auch sprunghaft sein. Im zweiten Ringraum 5 und dem sich stromabwärts anschließenden Teil des Hydrozyklons erfolgt die Fraktionierung. Die Innenwand 14 kann - wie hier - zylindrisch sein, was apparativ einfach ist und bereits zu guten Trennergebnissen führt. In anderen Fällen (s. Fig. 10) kann sie auch konisch sein ("Kegelschleuder"). Durch Wahl des Innendurchmessers 13 der Innenwand 14 und durch Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit der Suspension wird die Zentrifugalkraft wesentlich bestimmt. Günstig sind Werte über dem Vierhundertfachen der Erdbeschleunigung.

Weiterhin weist dieser Hydrozyklon eine ringförmige Verdünnungskammer 12 auf, die im Bereich der Engstelle 8 in das Innere des Hydrozyklons mit einem Ringspalt mündet. Zur Zugabe einer Verdünnungsflüssigkeit W ist an diese Verdünnungskammer 12 eine Verdünnungswasserzuführung 11 angeschlossen. Dabei kann in der Verdünnungskammer 12 eine Rotationsströmung erzeugt werden, die denselben Drehsinn hat wie die Rotationsströmung der Papierfasersuspension, was zu einer schonenden Zumischung führt. Die gebildete Leichtfraktion L wird am Auslaufende 3 des Hydrozyklons durch einen Leichtstoffaustrag 6 ausgeleitet, der hier als zentral in den Hydrozyklon hineinragendes Rohr ausgebildet ist. Die Schwerfraktion H, die sich an der Innenwand 14 des Hydrozyklons anreichert, kann durch den Schwerstoffaustrag 7 aus dem Hydrozyklon herausgeleitet werden. Ein solcher Schwerteilaustrag 7 kann radial, tangential oder auch axial angeordnet sein. Im Zentrum des Hydrozyklons befindet sich ein Verdrängungskörper 1 , der außen mit Flächen versehen ist, die als Grenzen für den ersten Ringraum 4 und den zweiten Ringraum 5 dienen. Auf diese Weise lässt sich mit einfachsten Mitteln zunächst eine Verengung (erster Ringraum 4) und dann eine Erweiterung (zweiter Ringraum 5) realisieren. Bei diesem Beispiel weist der Verdrängungskörper 1 zunächst (stromaufwärts) eine sich in Strömungsrichtung erweiternde und stromabwärts eine sich in

Strömungsrichtung verengende Konusfläche auf.

Die Konusfläche des Verdrängungskörpers kann je nach Anforderungen variiert werden, wozu die Fig. 2 ein Beispiel eines Verdrängungskörpers zeigt, der stromaufwärts mit einer Kegelfläche 18 und stromabwärts mit einer konvexen Fläche 19 versehen ist. Der Verdrängungskörper gemäß Fig. 3 weist in seinem stromabwärtigen Bereich eine konkave Fläche 20 auf, während der in Fig. 4 wiederum mit zwei konischen Flächen 18, 18 ^' versehen ist, wobei sich am Übergang dieser beiden Flächen ein Absatz 17 befindet, der dazu führt, dass an dieser Übergangsstelle der Durchmesser des Verdrängungskörpers in Strömungsrichtung gesehen sprunghaft abnimmt. Dadurch kann sich beim Einsatz im Hydrozyklon im Bereich der Engstelle eine besonderes vorteilhafte Strömung ausbilden.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen auch, dass der Verdrängungskörper ein spitzes stromabwärtiges Ende haben kann, was ebenfalls der Verbesserung der Strömungsverhältnisse an dieser Stelle dient

Fig. 5 zeigt den Hydrozyklon von oben, also mit Blick auf das Einlaufende 2. Das die Verdünnungskammer 12 umschließende Teil ist nur zum Teil gezeichnet, um den darunter liegenden Schwerstoffaustrag 7 sichtbar zu machen.

Es kann von Vorteil sein, das Verfahren in mehreren Stufen durchzuführen, wozu die Fig. 6 ein einfaches Beispiel zeigt. Dabei wird ein erster erfindungsgemäßer Hydrozyklon mit einem zweiten erfindungsgemäßen Hydrozyklon verbunden, indem die Schwerfraktion H des ersten Hydrozyklons als Zulauf für den zweiten Hydrozyklon verwendet wird. In vielen Fällen können die in beiden Stufen anfallenden Leichtfraktionen L zusammengeführt werden, wenn sie eine vergleichbare Qualität haben. Die in der zweiten Stufe anfallende Schwerfraktion H ^' enthält dann in noch höherem Maße die darin gewünschten Anteile. Wie bereits erwähnt, neigen derartige Fraktionierverfahren dazu, dass die Schwerfraktion H eine höhere Konsistenz aufweist als der Einlauf. Bei der in Fig. 6 gezeigten Schaltung lässt sich das sehr einfach wieder ausgleichen, indem eine entsprechend darauf abgestimmte Menge Verdünnungsflüssigkeit W zugeführt wird, so dass auch der zweite Hydrozyklon mit optimaler Einlaufkonsistenz betrieben werden kann.

In der Regel werden bei Durchführung des Verfahrens Zentrifugalkräfte erzeugt, die um ein Vielfaches größer sind als die Erdgravitation. Aus diesem Grunde kann in den meisten Fällen die

Lage der Hydrozyklone frei gewählt werden. Auch wenn die senkrechte Anordnung üblich und auch zumeist platzsparend ist, wäre z.B. auch eine waagerechte Anordnung - wie die Fig. 7 zeigt - ^" möglich.

Die in Fig. 8 dargestellte Variante des erfindungsgemäßen Hydrozyklons unterscheidet sich von der in Fig. 1 im Wesentlichen durch den anders gestalteten zweiten Ringraum 5. Dieser ist hier nach außen durch eine konische Wand begrenzt, was bekanntlich bei Hydrozyklonen zur Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit und Zunahme der Zentrifugalkräfte führen kann. Der sich anschließende zylindrische Teil hat einen entsprechend geringeren Durchmesser 13. Wie bereits erwähnt, hier aber nicht gezeichnet, kann der konische Teil auch bis zum Auslaufende 3 geführt sein.

Gemäß Fig. 9 besteht auch die Möglichkeit, stromabwärts vom zweiten Ringraum 5 eine erneute Reduzierung des Strömungsquerschnittes vorzunehmen, wozu dann ein dritter Ringraum 4 ^' dient. An dessen stromabwärtigem Ende schließt sich nach einer Engstelle 8 ^' ein sich in axialer Richtung erweiternder vierter Ringraum 5 ^' an. Auch an der zweiten Engstelle 8 ^' kann eine Verdünnungskammer 12 ^' mit Verdünnungswasseranschluss 11 ^' vorhanden sein. Die Dimensionierung kann ähnlich wie bei der (ersten) Engstelle 8 vorgenommen werden. Diese Ausführungsform, eventuell auch mit weiteren hier nicht gezeichneten Engstellen, ist in der Lage, die Wirkung der Erfindung weiter zu verstärken, da das Auflockern und Fluidisieren der Faserstoffsuspension entsprechend häufiger erfolgt. Vorteilhafterweise kann ein mehrmaliger Abzug der Leichtfraktion vorgesehen werden, wozu hier ein zusätzlicher zentral im Verdrängungskörper 1 ' geführter Leichtstoffaustrag 6 ^' gestrichelt eingezeichnet ist. Dieser Leichtstoffaustrag 6 ^' zieht einen Teil der Leichtfraktion F zwischen den Engstellen 8 und 8 ^' ab.

Wie Fig. 10 zeigt, ist es auch möglich, den Leichtstoffaustrag 6' so an das Einlaufende 2 zu legen, dass die sich im Zentrum des Hydrozyklons bei der Durchführung des Verfahrens angesammelte Leichtfraktion L vollständig nach oben und die Schwerfraktion H nach unten aus dem Hydrozyklon abfließen können, "oben" und "unten" gilt bei senkrechter Aufstellung. Weiterhin weist die in Fig. 10 gezeigte Bauform eine Innenwand 14 ^' auf, die zunächst zylindrisch und dann konisch verläuft, wobei sich der Querschnitt zum Auslaufende 3 hin stark verkleinert. Die in Fig. 10 gezeigten weiteren Variationen der Erfindung können einzeln oder in Kombination auch bei den bereits dargestellten Vorrichtungen angewendet werden.

Auch wenn der typische Anwendungsfall des Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Hydrozyklons die Fraktionierung bei relativ hohen Zentrifugalkräften darstellt, ist es ohne weiteres vorstellbar, die Merkmale der Erfindung auch auf solche Fälle auszudehnen, bei denen mittlere oder geringere Anforderungen an die Trennschärfe gestellt werden. Ein typischer Fall ist die Entfernung von Störstoffen (z.B. Sand) aus einer Altpapiersuspension mit Hilfe von Hydrozyklonen.