Chem. Verfahrenstechnik – Sedimentieren und Zentrifugieren 2009

1. AllgemeinesSedimentieren und Zentrifugieren wird verwendet um Fest-Flüssig-Gemische mechanisch zu trennen. Solche Gemische werden je nach Feinheit des darin verteilten Feststoffes Suspension oder Kolloidlösung genannt.

Grobe Suspensionen Korngröße über 100µmFeine Suspensionen Korngröße zwischen 0,5 und 100µmKolloidlösungen Korngröße unter 0,5µm

Begriffsdefinitionen:

Trübe:Hat einen geringen Feststoffanteil in Lösung und bildet so eine feine Suspension (weniger als 300g/l).

Klare:Ist die gereinigte Trübe, wo sich dass Sediment schon abgesetzt hat.

Schlamm: Größerer Feststoffanteil in Lösung (über 300g/l)

Paste: Dies ist ein Fest-Flüssig-Gemisch, welches einen so hohen Feststoffanteil hat, dass es nicht mehr fließt, sondern formbar ist.

Die mechanischen Trennverfahren für Feststoff-Flüssigkeits-Gemische lassen sich in vier Verfahrensgruppen einteilen:

Absetzen (Schwerkraftsedimentation): Trennung erfolgt durch die unterschiedliche Wirkung der Schwerkraft auf die Partikel mit unterschiedlicher Dichte.

Zentrifugieren (Fliehkraftsedimentation): Die Stofftrennung erfolgt durch die unterschiedliche Wirkung der Fliehkraft auf Partikel mit unterschiedlicher Dichte.

Auspressen: Bei diesem Trennverfahren erfolgt eine Volumsverminderung durch von außen aufgebrachte Preßkräfte, und das dadurch bewirkte Auspressen der Flüssigkeit.

(Filtrieren: Trennung erfolgt durch die Unpassierbarkeit der Feststoffpartikel durch ein poröses Filtermittel und das Durchströmen der Flüssigkeit. Wird in oft Kombination mit Fliehkraftsedimentation verwendet um eine bessere Trennleistung hervorzubringen z.B. Filterzentrifugen.)

2. Sedimentieren„Durch Absetzen, auch Sedimentieren oder genauer Schwerkraftsedimentieren genannt, können grobe Suspensionen getrennt werden, bei denen die Dichte des dispergierten Stoffes größer als die Dichte der Flüssigkeit ist.“

Das Ergebnis des Sedimentierens ist eine Klare mit Feingutteilchen in Schwebe, die kleiner sind als 0,5µm und einem abgesetzten gesättigtem Feststoffschlamm, dem sogenannten Sediment.

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Feine Suspensionen lassen sich durch Sedimentieren nicht in einem technisch relevanten Zeitraum trennen, da die feinen Partikel in Schwebe gehalten werden. Sie lassen sich nur durch Zentrifugieren trennen oder durch einen Bindemittelzusatz, sofern dies die Weiterverarbeitung nicht beeinträchtigt, dadurch können die Auftriebseigenschaften der Partikel verändert werden (z.B. Klärschlamm). Wenn das Ziel die Gewinnung des Feststoffes ist, nennt man den Vorgang Eindicken. Soll jedoch die Suspensionsflüssigkeit erhalten werden, wird der Vorgang Klären oder Dekantieren genannt.

Die Ursache, welche zum Absetzen von Feststoffteilchen führt ist die unterschiedliche Dichte des Feststoffes und der Flüssigkeit. Auf ein Feststoffteilchen wirken ebenfalls der Strömungswiderstand und die Auftriebskraft gegen die Schwerkraft. Bei einem Gleichgewicht bleibt der Feststoff in Schwebe, verschiebt sich das Gleichgewicht zu Gunsten der Schwerkraft sinkt es, nimmt die Auftriebskraft überhand schwimmt es auf. Die Absetzgeschwindigkeit eines Teilchens ist abhängig von:

Dichteunterschied Schwerkraft Auftriebskraft Teilchengröße Viskosität der Flüssigkeit

a. Apparate zum Sedimentieren

Das KlärbeckenKlärbecken werden vorwiegend zum Reinigen von Abwässern eingesetzt. Sie kommen in Kreisform oder Rechteckig vor. Durch ihre Größe erlauben sie lange Absetzzeiten, benötigen jedoch viel Platz.

Rechteckklärbecken

Hierbei läuft die Suspension bzw. das Abwasser unterhalb des Flüssigkeitsspiegels zu. Diese durchströmt das Becken langsam in horizontaler Richtung und verlässt es geklärt über ein Überlaufwehr am anderen Ende. Da die Flüssigkeit nur langsam fließt haben die Teilchen Zeit sich abzusetzen. Die abgesunkenen Teilchen sammeln

sich als Schlamm am Boden des Beckens. Der Schlamm wird von einem sehr langsam betriebenen Räumer in einen Sammeltrichter geschoben und von dort mittels einer Leitung abgesaugt und der Weiterverarbeitung (z.B. Entwässerung) zugeführt. Um eine bessere Trennleistung zu erzielen werden auch hier, vor allem im Zusammenhang mit Abwasser Bindemittel hinzugefügt.

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Rundklärbecken

Hier wird die zu klärende Flüssigkeit in der Mitte zugegeben. Von dort fließt sie langsam radial zum Ringüberlauf, welcher sich am oberen Rand des Beckenumfangs befindet, dort kann die Klare ablaufen. Wie im Rechteckbecken setzen sich die Feststoffteilchen auf dem Fließweg der Flüssigkeit ab. Am Beckenboden wird der

Schlamm von einem sehr langsam laufenden Krählwerk (1U/h) in Richtung Sammeltrichter befördert. Dort saugt eine Pumpe den Schlamm ab. Wenn das Becken der Gewinnung des Schlamms dienen soll bezeichnet man als Eindicker. Lamellenklärer

Mit einem Lamellenklärer können mittels relativ kleiner Apparatur große Suspensionsmengen geklärt werden.

Die Suspension strömt links oben zu und verteilt sich über den ganzen Querschnitt. Sie teilt sich auf und strömt zwischen den Lamellen nach unten. Während des langsamen Abwärtsströmen der Suspension kommt es zum Absetzten der Feststoffe auf den schrägen Lammelenböden. Der Feststoff läuft als Schlamm abwärts in Richtung des Sammeltrichters und wird dort abgezogen. Die Klare, welche mit der Zeit durch das Abwärtsrinnen entsteht, wird am Ende in Rinnen aufgefangen und steigt

in einem Steigrohr nach oben in einen Sammelraum, von wo aus sie den Lamellenklärer verlässt. Vorteil: kleine Apparatur, welche eine hohe Druchsatzmenge erlaubt. Nachteil: kurze Absetzdauer,

Absetz-AufschwimmklärerFür die Klärung von Abwässern bzw. verunreinigten Suspensionen, die neben Absinkstoffen auch noch aufschwimmende Stoffe (z.B. Öle) enthalten, werden Absetz-Aufschwimm-Klärer eingesetzt.

Dieser Apparaturtypus besteht aus einem zylindrischen, nach unten konischen Behälter mit Einbauten.

Die Suspension wird in einem mittigen Absinkrohr eingeleitet und fließt dort zuerst langsam nach unten, dann wird langsam umgelenkt und sie steigt langsam nach oben. Während des langsamen Strömens setzen sich die Feststoffteilchen mit größerer Dichte unten ab und die

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Teilchen mit geringerer Dichte als die Flüssigkeit steigen auf und schwimmen oben auf der Flüssigkeit.

Die aufschwimmenden Bestandteile werden durch einen Überlauf abgeleitet. Der Feststoffschlamm wird unten abgezogen und die Klare wird aus einem Seitenabzug abgepumpt.

Vorteil: größerer Anwendungsbereich; Trennung in absinkende und aufschwimmende Bestandteile

Sandfang, Spiralklassierer

Diese Apparatur wird zur Abtrennung sandiger Bestandteile aus feinen Suspensionen oder Abwässern eingesetzt.

Diese Apparatur besteht aus einem Halbrundtrog, in dem ein Schraubenförderer sich langsam dreht. Die Suspension wird mittig zugeführt und die schweren

Bestandteile setzen sich ab und werden mittels Schraubenförderer hinaufgeschoben und über die Kante hinausgeschoben. Am unteren Ende fließt die Klare mit dem Feingut ab.

Nachteil: Nur eine grobe Abtrennung der Feststoffpartikel möglich.

3. Zentrifugieren

„Zentrifugieren ist ein mechanisches Trennverfahren zur Abscheidung feinverteilter Feststoffteilchen aus Suspensionen durch Fliehkraftsedimentation.“

Die zu trennende Suspension wird in Rotation versetzt, dadurch wirkt auf die Teilchen nicht nur die Schwerkraft sondern auch die Fliehkraft.

Beim Zentrifugieren kommt es dazu, dass die zu trennende Suspension dabei als Suspensionsring an der Wand der schnell rotierenden Zentrifugenwand anliegt. Teilchen mit größerer Dichte werden nach außen angezogen und an der Wand gesammelt. Darüber entsteht das klare Zentrifugat.

Die Absatzwirkung bei Zentrifugen durch die Fliehkraftsedimentation ist je nach Drehzahl und Zentrifugenradius 200 bis 10 000 mal stärker, als durch die Schwerkraftsedimentation. Dies ist der Grund warum durch Zentrifugieren auch sehr feine Feststoffteilchen mit nur geringem Dichteunterschied zur Flüssigkeit abgetrennt werden können.

Ein Maß für die Trennwirkung einer Zentrifuge ist die Schleuderzahl Kz Diese gibt an, wieviel mal stärker die Absatzwirkung in einer Zentrifuge im Vergleich zum Absetzen allein durch die Schwerkraft ist.

Grundsätzlich werden zwei Zentrifugenbauarten unterschieden, die Sedimentierzentrifugen und die Filterzentrifugen.

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a. Sedimentierzentrifugen Vollmanteltrommel; Hier trennt sich die Suspension

unter der Wirkung der Zentrifugalkraft in das Sediment und das Zentrifugat.

Sie können entweder absatzweise oder kontinuierlich betrieben werden

Das Zentrifugat strömt über ein Schälrohr oder Überlauf ab

Es ist kein Entfeuchten des Sediments möglich Auch für zusammenbackende Sedimente geeignet

Vollmantel-Schälzentrifuge

Der Funktionsablauf dieser diskontinuierlichen Zentrifuge verläuft in einem mehrschrittigen Betriebszyklus. Die Suspension wird über ein Verteilerrohr in die Trommel eingebracht, welche anschließend in Rotation versetzt wird. Nun trennt sich die Suspension in das Sediment an der Trommelwand und das darüberstehende Zentrifugat. Hat der Zentrifugatring eine bestimmte Höhe erreicht taucht ein Schälrohr in das rotierende Zentrifugat und entnimmt es. Die Zugabe von Suspension und die Entnahme des Zentrifugats erfolgt so lange bis das Sediment eine

bestimmte Dicke erreicht hat. Dann wird die Suspensionszufuhr gestoppt und das restliche Zentrifugat abgesaugt. Anschließend wird die Sedimentschicht mittels Schälmesser abgetragen und über eine Rutsche oder einen Förderer aus der Zentrifuge entfernt. Anschließend beginnt ein neuer Betriebszyklus.

Vollmantel-Schälzentrifugen werden bevorzugt zum Trennen von Suspensionen eingesetzt, die ein kompressibles, undurchlässiges und schmieriges Sediment bilden.

Tellerzentrifuge

Tellerzentrifugen, auch Separatoren genannt, sind hochtourig laufende, vertikal angeordnete Vollmantelzentrifugen. Der Trennraum ist durch einige (30-100) konische Teller in schmale Sedimentationsräume unterteilt. Tellerzentrifugen sind vom Aufbau „rotierende Lamellenklärer“.

Die Suspension wird oben eingebracht und strömt durch Umleitungen nach unten über den Zentrifugenboden in die Sedimentationsräume, wo sich die rotierenden Teller befinden. Durch die Fliehkraft erfolgt die Trennung in den Zwischenräumen. Das Sediment wird gegen die schräge Wand des Tellers gedrückt und rutscht nach unten hin ab und

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gelangt durch Löcher in den Schlammraum. Dort wird der Schlamm von einer Austragsschnecke in eine Auffangrinne transportiert und verlässt somit die Trommel. Das Zentrifugat strömt durch die Sedimentationsräume an den unteren Tellerwänden nach oben zur Mitte hin. Es verlässt die Zentrifuge oben durch ein feststehendes Schälrohr.

Tellerzentrifugen laufen sehr hochtourig. Deshalb können sie auch feinkörnige Suspensionen trennen. Durch die hohe Trennwirkung können auch Stoffe getrennt werden, die nur einen geringen Dichteunterschied aufweisen wie z.B. Wasser/Öl-Emulsionen.

Nachteil: Reinigung aufwendig – Zerlegen der Teller; Teuer, Vorteil: Platzsparend, Große Trennleistung durch großen Weg den die Partikel zurücklegen

Vollmantel-Schneckenzentrifuge

Sie wird auch Dekantierzentrifuge oder Dekanter genannt. Sie besitzen eine liegend angeordnete, teilweise konische, rotierende Vollwandtrommel. In der Trommel rotiert, mit einem geringen Drehzahlunterschied zur Trommel eine passende Förderschnecke.

Die Suspension wird durch eine Hohlwelle, welche mittig angeordnet ist zugeführt. Die Feststoffteilchen scheiden sich durch die Fliehkräfte an der Trommelwand ab und werden von der Förderschnecke den Konus hinauf zum Schlammaustrag geschoben. Dabei entwässert der Schlamm. Das darüber entstehende Zentrifugat fließt über einem Überlaufring ab. Vollmantel-Schneckenzentrifugen sind kontinuierlich arbeitende Zentrifugen, die sich zur Trennung mittelfeiner bis grober Suspensionen mit festem oder fasrigem Sediment eignen.

Vorteil/Nachteil: für festes und fasriges Sediment sehr gut geeignet.

b. Filterzentrifugen Zentrifugentrommel; innen mit Filtermittel bespannt Betrieb ist je nach Bauart absatzweise oder

kontinuierlich möglich Das Zentrifugat strömt radial durch das Filtermittel ab Ein Entfeuchten und Waschen des Sediments ist möglich Dieser Typ ist nicht für zusammenbackende Sedimente

geeignet

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Um eine bessere Sedimentstruktur (flüssigkeitsdurchlässig) während dem Vorgang aufrecht zu erhalten, kann ein Filterhilfsmittel zugesetzt werden z.B. Kieselgur, grobes Sägemehl oder Faserschnitzel.

Vorteil: gut geeignet für zusammenpackendes SedimentNachteil: Filterhilfsmittel wird oft benötigt

Siebtrommel-Schälzentrifuge

Diese Filterzentrifuge arbeitet absatzweise, die Suspension wird gleichmäßig mittels Verteiler auf die Innenfläche der Trommel aufgetragen. Die Suspension wird durch ein Filtermittel gepresst und das Zentrifugat verlässt die Trommel. Es wird im Auffanggehäuse gesammelt und abgelassen. Das Sediment bildet am Filtermittel einen Kuchen. Wenn der Filterkuchen eine ausreichende Dicke erreicht hat wird die Suspensionszufuhr gestoppt und

der Kuchen mit erhöhter Drehzahl entwässert. Anschließend wird Waschflüssigkeit zugegeben um den Kuchen zu waschen. Dann wird dieser mit dem Schälmesser und der Austragsschnecke entnommen. Wenn das Schälmesser zurückgefahren ist beginnt ein neuer Zyklus.

Bei kontinuierlichen Filterzentrifugen wird der sich bildende Filterkuchen mittels besonderer Vorrichtungen oder durch spezielle Trommelbewegungen fortlaufend ausgetragen.

Nachteil: Teuer und RaumforderndVorteil: große Durchsatzmenge

SchubzentrifugeHier gelangt die Suspension über einen Einlaufkonus auf die Innenwand der Trommel und bildet dort den Sedimentkuchen. Die Flüssigkeit tritt durch das Filtermittel und die Lochtrommel aus. Durch einen sich hin- und her bewegender Schubring wird der Filterkuchen durch die leicht konische Trommel Richtung Austrag geschoben. Im vorderen Trommelbereich wird der Filterkuchen mit Waschflüssigkeit gewaschen. Schubzentrifugen eignen sich zur Trennung feiner Suspensionen. Vorteil: speziell für feine

Suspensionen

Siebschneckenzentrifuge

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Dieser Typus hat eine starke konische Lochtrommel. Der Sedimentkuchen wird von einer Schnecke zur Austragsseite geschoben, die mit einer Differnzdrehzahl zur Trommeldrehzahl rotiert.

GleitzentrifugeDie Gleitzentrifuge eignet sich nur zur Entwässerung grobkörniger Suspensionen und nasser Schüttgüter. Die Feststoffteilchen gleiten über eine gestufte stark konische Siebtrommel zum weiten Austragsende der Trommel. Leitbleche bewirken eine gleichmäßige Verteilung auf der Trommelinnenwand.

Schwing- und TaumelzentrifugeSie eignen sich ebenfalls zur Entwässerung von grobkörnigen Suspensionen und nassen Schüttgütern. Der Transport des Feststoffes zum Austrag über die konische Trommel erfolgt durch das Zusammenwirken von Trommelkonus und axialer Schwing- bzw. Taumelbewegung.

Trennen mittels HydrozyklonDer Hydrozyklon ist ein sogenannter Fliehkraftabscheider einfacher Bauart, er hat keine bewegten Apparateteile und ist zur Trennung grober Anteile aus Suspensionen geeignet.

Er besteht aus einem zylindrischen Behälter, welcher sich nach unten hin konisch verengt. Die Suspension wird oben tangential mittels einer Pumpe eingebracht und wird durch die Behälterwand auf eine konzentrische Bahn gezwungen. Mittels Zentrifugalkraft werden die groben Feststoffpartikel an die Behälterwand gedrückt und laufen dort mit einer Drehströmung in schraubenförmigen Bahnen nach unten. Am unteren Ende des Behälters sammelt sich der Schlamm, er wird in bestimmten Abständen abgelassen.

Im engen unteren Konusteil wird der Außenwirbel immer enger, schließlich umgelenkt und die geklärte Flüssigkeit kann in einem Innenwirbel mit geringem Drehradius nach oben steigen. Die Klare verlässt den Behälter durch eine Überlaufdüse (Tauchrohr) am Kopf des Behälters.

Der Hydrozyklon ist nur zur Trennung grober Partikel aus Suspensionen geeignet. Seine Hauptanwendung ist das Abklassieren grober Partikel.

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