Tangential solid separation device

【０００１】
本発明は、実質的に円筒状の分離槽の中で浮選をする方法によって、懸濁液から物理的に固体分離をする装置および方法に関する。 このような種類の装置は、たとえばＥＰ−Ａ−０４４２４６３やＷＯ９５／２３０２７から公知である。
【０００２】
このような公知の装置ないし方法を前提とする本発明の課題は、当分野に属する装置および方法の固体分離のときの析出度をいっそう向上させることである。
【０００３】
本発明によれば、この課題は請求項１および２６に記載の構成要件によって解決される。 有利な発展例は従属請求項から明らかである。
【０００４】
円筒状の分離槽には、有利には下方に向かって直径が増大する、上側が閉じた回転対称な凝集リアクタが真中で中心に配置されている。
【０００５】
凝集リアクタの中では、有利には垂直の流入管を介して懸濁液の流入が中心以外で行われ、こうした中心以外での導入と、有利には片側が開いている流入管とによって、下方に向かって遅くなる穏やかな循環流が生成されることになり、この循環流が、凝集による固体析出に必要な凝集形成プロセスを決定的に促進する。 回転対称な凝集リアクタの下側端部には、凝集リアクタからの懸濁液の流出を可能にする、円周に配置されたオーバーフローエッジがある。
【０００６】
凝集リアクタから流れ出る液体／懸濁液は、凝集リアクタの外側円周に配置された分配セルの中に入り、この分配セルは幾何学的に、分配セルの端部で分離槽の内部への接線方向を向いた流入が生じるような形状を有しており、すなわち、半径方向を向いた流れ成分に加えて、接線方向の流れ成分も有する流入角が生じるような形状を有している。
【０００７】
凝集リアクタ／流れリアクタの中には、ガスが過飽和している液体の緩和圧力を、環状の隙間を介して低減させることのできる圧力緩和取入口が配置されていてよい。 剰余ガスによって発生する泡は泡カーペットを形成し、この泡カーペットは、圧力緩和取入口から半径方向へほぼ水平方向に外方に向かって流れ、凝集リアクタ／流れリアクタの内部で発生した下方に向かって遅くなる穏やかな循環懸濁流の下に入り込み、ないしはこれと混合される。 圧力緩和取入口の調整可能な環状隙間によって、さまざまな緩和圧力での作動が可能であり、このことは、緩和圧力の絶対的な大きさに依存する泡サイズの最善の制御を可能にする。
【０００８】
したがって、凝集リアクタ／流れリアクタの循環流の中で発生する固体凝集物は、最善の形で泡カーペットの下敷きを受け、ないしはこれと混合されて、凝集リアクタの外側円周に配置されている分配セルを介して分離槽の中へ導入される。
【０００９】
有利には、分配セルは、流れ方向の接線方向成分が半径方向成分より大きくなるように成形される。 さらに有利には、半径方向成分に対する接線方向成分の比率は１：１から５０：１であり、格別に有利には２：１から５：１である。
【００１０】
浮選を化学的・物理的な分離法として成功裡に利用するためには、固体凝集物／固体結合物の最善の形成が、優れた析出結果を得るための主要な前提条件であり、このとき化学的な凝集助剤（たとえばポリマー）の使用は現在では従来技術となっているが、このような凝集助剤の費用は著しい運転コスト要因となってしまう。
【００１１】
凝集助剤の使用、ないし固体凝集物形成は、一定の短い反応時間を遵守しながら、乱流のない所定の流れ状況のもとで凝集物形成そのものが狭い反応室内で行われることによって、大幅に最適化することができる。 これまでの従来技術では、その点が考慮されていなかった。
【００１２】
本発明は、中心以外での流入によって下方に向かう穏やかな循環流が生成される凝集リアクタ／流れリアクタによって、凝集の改善に関する上述の要求を最善に満たすとともに、凝集助剤の使用量を減らすことを可能にする。
【００１３】
これまでの従来技術では、過飽和によって生成される泡の混入は、多くの場合、配管の中や流動室の中で約１，６から３ｍ／ｓという高い流動速度のもとで行われており、しかも泡発生から混入まで、および効果的な浮選の開始までの距離が長かった（３から１０ｍ）。 この両方の要因は次のような欠点をもたらす。 すなわち、速い流動速度と長い距離のために、形成された凝集物が破壊されたり、凝集の形成が阻害／阻止されたりし、また、過飽和によって生成された微小な泡が融合して、浮選のときにあまり効率のよくない大きな泡になってしまうのである。
【００１４】
それに対して本発明では、凝集リアクタ／流れリアクタの中の泡がより遅い速度で穏やかに、凝集物を損なうことなく混入され、浮選作業が進行する分離容器までの距離が有利には０，５から１ｍと短いので、泡の融合が防止され、微小な泡での改善された浮選が可能になる。
【００１５】
本発明のさらに別の利点は、従来は純粋に半径方向外側に向かっていた懸濁液と空気泡の混合流が、接線方向の流動成分があることによって、純粋に半径方向の流れをもつ従来の分離方法にくらべて、槽の壁の領域にある排出口まで長い道程区間を通過しなければならなくなるので、このように分離槽での道程区間が長くなり、ないしは待機時間が長くなることによって固体分離がいっそう効果的になるという点にある。 しかも道程の流れがいっそう落ちつくので、このことは同じく分離の向上につながる。 したがって本発明による装置は、公知の施工形態にくらべてコンパクトに施工することができる。
【００１６】
本発明の有利な発展例では、圧力緩和取入口が、軸方向でスライド可能な有利にはテーパ状の調整ピストンを含んでおり、この調整ピストンの軸方向の変位によって程度の差こそあれ狭い環状隙間が構成され、溶けたガスが混じっている液体が突然の圧力降下を受けながらこの環状隙間を通過することが意図される。 隙間を調整することによって、もっとも好都合には１０μｍから１５００μｍの間である適当な泡サイズが生成されるように、所望の流量に応じて圧力降下を調整することができる。
【００１７】
本発明の有利な発展例では、２層流が生成されるようにするために、泡の混じった液体の流れを水平・半径方向で束ねる役目をする偏向装置が圧力緩和取入口の上側に設けられることが意図されており、このとき、槽の底面では泡の混じった液体が通過し、その上を懸濁液流が通過する。
【００１８】
固体を除去された液体が分離槽の外壁の領域に達するとすぐに、この液体は別個に構成された排出口を介して分離槽から出され、集合配管を介して液体排出部に供給される。 有利には、排出口はスリット状に施工され、このスリットは槽壁の全円周にわたって底面の上側に設けられる。 これらの排出口はグループごとに、適当な溝または配管によって一つにまとめられ、槽円周に沿って分散した一定数（有利には４つ）の排出部と連通する。
【００１９】
浄化された液体を排出するために代替的または追加的に意図される構成の要諦は、分離槽の外壁に、多数の通過口を備えていて円周を取り巻く少なくとも１つの排出管が、槽底面の上側に配置されることにある。 有利には、これらの通過口は排出管の下側領域に配置され、それによって排出管への流入が下方から行われて、沈殿した物質による開口部の詰まりが効果的に防止される。 この排出管は、連絡配管を介して排出部と連通している。 代替案としては、この排出管を複数の排出管区域、有利には３つから４つの排出管区域に分割し、これらが一緒になって一つの環を形成するとともに、それぞれが独自の排出部と連通することも可能である。 排出管が、互いに連結されたまっすぐな管材でできていて、そのようにして一種の折れ線状の排出管を形成するようにすると、排出管を技術的に格別に簡単に具体化することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の有利な構成によれば、分離槽の上側に、回転するスラッジ除去装置が設けられ、このスラッジ除去装置は有利には少なくとも２つのスラッジパドルを含んでおり、これらのスラッジパドルは、水平方向に対して若干傾いた独自の共通の回転軸を中心として回転可能であるとともに、分離槽の垂直方向の軸を中心としても回転可能である。
【００２１】
本発明の格別に有利な発展例では、スラッジ除去装置の回転方向が、懸濁流の接線方向成分に対して反対方向に延びており、それによってスラッジパドルとスラッジ流との間の相対速度が、満たされた槽の上側領域で高くなることが意図されており、このことは、特に懸濁液に含まれている固体繊維のいっそう優れた効果的な排出につながる。
【００２２】
スラッジの格別に効果的な除去は、回転する軸の円周に分配された複数の掬い取り装置が設けられ、この掬い取り装置が軸に対して平行に延びる排出溝の中へスラッジを運ぶ、本発明の発展例によって達成することができ、このとき、それぞれの掬い取り装置はヨーク状のカッターと、スラッジパドルとで構成される。 有利には直角に構成されたヨーク型カッターによってスラッジの中に切り込み、それによって、後続するスラッジパドルによる剥ぎ取られたスラッジの除去を容易にする。 この発展例は、スラッジ形成物が強く圧縮されていたり、クラスト化していたり、あるいはその他の形で硬化している場合に、格別な利点を備えている。
【００２３】
分離槽の底面は、簡単に施工する場合には平坦に構成されていてよい。 これに代わる本発明の有利な構成では、底面が環状溝のように構成されていて、少なくとも１つの沈殿物排出口を含んでいることが意図され、それによって分離工程のときに析出した重い粒子を効果的に取り除くことができる。
【００２４】
本発明の上述したような実施形態は、浮選原理に基づく懸濁液の分離をもたらす。 代替案として、沈降原理に基づく分離を行うことも同様に可能であり、この場合には特にガスの混ざった液体の導入が不要になり、すなわち、固体を取り除かれるべき懸濁液を導入するための懸濁液取入口が設けられているだけでよく、この懸濁液は、上に述べた実施形態のときと同じやり方で、懸濁取入口の偏心的な配置によって接線方向の速度成分を伴いながら分離槽に案内することができる。
【００２５】
次に、添付の図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。 図面は次のとおりである。
【００２６】
図１および２、ないし図３および４を援用しながら、本発明について詳細に説明する。 異なる図面に付いている同一符号は、同一の部品を表している。
【００２７】
図１および２に示す本発明の分離装置１０は、基本的に、軸方向の中心領域に中央モジュール１４が配置された円筒状の分離槽１２でできている。 この中央モジュール１４は、浮選物排出配管１８と接続された、上側が開いている浮選物集合槽１６を含んでいる。 浮選物集合槽１６の下には、上側と側方が閉じていて、下側領域にだけ水平方向の開口部ないし半径方向の円周穴を円周エッジ２２の下側に有している、回転対称な凝集リアクタ２０が配置されている。 凝集リアクタ２０は、図１に示す実施例では円錐台状に構成されており、図３に示す実施例では円筒状に構成されている。
【００２８】
凝集リアクタ２０の内部空間の上側領域には、懸濁液取入口２４が開口しており、その開口部２６は斜めに施工されており、この傾斜角は、図４に示す傾斜線２８に対して垂直に延びている。
【００２９】
図３および４に示す実施例では、凝集リアクタ２０の底部領域３０には圧力緩和取入口３２が設けられており、その取入間隙はテーパ状の調整ピストン３４によって調整することができる。 この調整ピストン３４は、図示した実施例では、調整ロッド３６とハンドル車３８とを介して調整される。 当然ながら、これに代えて、調整ピストン３４をモータで調節することも可能である。
【００３０】
調整ピストン３４は、図示した実施例では、圧力緩和取入口３２よりも著しく大きな直径を有しており、それによって偏向縁３５を形成しており、この偏向縁の目的は、圧力緩和取入口３２を介して流入する泡を含んだ液体を水平・半径方向に方向転換させて、上方からくる懸濁液流との早すぎる混合を防ぐことにある。 代替案として、調整ピストン３４がこれよりも小さい直径をもつように製作し、固定して取り付けられた皿状の偏向領域を調整ピストン３４の上に設けることもできる。
【００３１】
圧力緩和取入口３２は、溶解したガスが混ざっている液体を供給する液体配管４０から供給を受ける。 円周縁２０の半径方向外側には、凝集リアクタ２０から半径方向外側に向かって円周方向と垂直方向に拡大する有利にはそれぞれ長方形の流れ断面をもつ、相並んで位置する一定数の分配セル４２が延びている。
【００３２】
分配セル４４は、円周方向で次第に大きく湾曲している通路を形成しており、分離壁４６によって相互に区分されている。 分配セル４４の数と曲率は、有意な接線方向成分を含んでいる、つまり純粋に半径方向に延びるのではない、懸濁液・泡・混合物の所望の流出角度が生じるように選択する。 念のため再度強調しておくと、図１に示すような凝集リアクタ２０の円錐台状の構成、あるいは請求項に記載されている鐘状の構成は、圧力緩和取入口３２を備える図３および４に示す実施形態でも適用することができる。
【００３３】
図１および２に示す本発明の装置の機能は次のとおりである。
【００３４】
懸濁液取入口２４を介して、固体（たとえば小さな重い粒子、繊維素材、その他の成分）が混じった懸濁液が供給され、この懸濁液は、懸濁液取入口２４の出口２６が傾いていることによって、接線方向（図４に矢印Ｓで示唆している）へリアクタ内部空間に入り、凝集リアクタ２０の中で螺旋状に下方へ移動する。 そして懸濁液は円周縁２２を通過した後、半径方向外側に向かって流れて分配セル４４の中へ流入し、このとき、すでに存在している回転運動（接線方向の速度成分）が分配セル４４によって強められる。 特に図１および２に見ることができるように、次いで中央モジュール１４を離れた混合液は、所定の角度で半径方向外側に向かって流れ、この様子は図２に矢印Ａで示唆されている。
【００３５】
この実施形態では、懸濁液には、有利には懸濁液取入口２４を介して導入されるよりも前に、ガス過飽和した液体が供給されており、それによってミクロ泡が混合液に形成され、分離されるべき固体粒子に付着して、分離槽１２の液体表面に固体粒子を浮きあがらせる。 それと同時に、重い物質は槽底面３０に沈降することができ、そこで図示しない除去装置（沈降除去器）によって取り除かれ、あるいは適当な受水溝に入る。 次いで、浄化された液体は分離槽１２の外壁の領域で排出されるが、これについては後で図５から図７を援用しながら詳しく説明する。
【００３６】
図３および４に示す代替的な実施形態の機能は、上に述べたのと非常に類似しているが、懸濁液と別に液体管路４０を介して、ガスが混ざった（有利には飽和した）水等の液体が導入され、この液体が圧力緩和取入口３２を通過するときに圧力緩和されて、ミクロ泡５２が形成されるようになっている。 リアクタ容器２０の上側領域からくるすでに円周回転方向を有している懸濁液流と、泡流とが、混合の度合いを高めながら分配セル４４を通って外側へ出ていく。
【００３７】
本発明の構成により、実質的に半径方向外側に向かって流れる懸濁液と泡の混合体に、円周方向または接線方向の速度成分が与えられ、それによって、分離槽１２を通って流れるときに通過する距離は、従来の純粋な半径方向の流れにくらべて大幅に長くなり、従来の装置では分離層を大きくしたり、あるいは流量を減らすことによってしか達成できなかった、向上した析出度を達成することができる。 つまり本発明による構成は、固体分離装置のコンパクトな構造を可能にする。
【００３８】
図５から図７に示すように、浄化された液体は分離槽１２の外壁５４の領域で分離槽から取り出される。 このとき図５および６には、この発明思想の有利な実施形態が描かれており、この場合には浄化された液体が排出管５６ａ、５６ｂおよび５６ｃを介して出ていく。 これらの排出管５６は、個々の直線状の管区域でできており、それぞれ槽壁５４の全円周のほぼ３分の１にわたって延びている。 当然ながら、全円周に沿った液体の排出が達成されるのであれば、これ以上またはこれ以下の管を設けることも可能である。 排出管５６の各々は、浄水排出部５８と接続されている。 図６からわかるように、排出管５６はその底面領域に多数の小さな通過部６０を有しており、浄化された液体はこの通過部を通って排出管５６の中に入ることができる。 通過部６０を排出管の底面領域に配置したことにより、上から降ってくる固体や粒子によって排出管が詰まることが防止される。
【００３９】
浄化された液体の排出装置の別の構成が図７に示されており、ここでは槽壁５４に、底部３０の付近に全周にわたって通過スリットおよび／または穴６２が設けられて、集合配管６４に連通しており、そこから浄化された液体が１つまたは複数の浄水排出部５８に供給される。
【００４０】
図８から図１０には、分離槽１２の上側で分離槽１２の垂直方向の中心軸を中心として回転するスラッジ除去装置６６ａの第１実施形態が描かれている。 スラッジ除去装置６６ａの保持構造部は、図を見やすくするという理由から図示していない。 このスラッジ除去装置６６ａは、基本的に、分離槽１２の中心軸に関して半径方向に延びる、少なくとも２つのスラッジパドル７０ａ、７０ｂが取り付けられた回転軸６８で構成されている。 両方のパドル７０を備える回転軸６８は、回転駆動装置７２によって回転軸６８を中心に回転させられ、それと同時に、スラッジ除去装置６６ａ全体が循環駆動装置７４によって矢印Ｕで示す方向に、すなわち時計回りに、分離槽１２の中心軸を中心として運動させられる。 この循環方向Ｕは、本発明によれば、矢印Ａで示す懸濁液・泡・混合体の循環運動と反対向きになっている。
【００４１】
図１０にスラッジ除去装置６６ａの４種類の異なる位置で図示しているように、スラッジパドル７０ａおよび７０ｂは、液体７６の表面に形成されたスラッジ７８を掬い取り、水平方向に対して分離槽１２の中心軸のほうへ傾いている回転軸６８（図９に示す）の方向へさらに回転しながら、掬い取られたスラッジ８０を運ぶ。 掬い取られたスラッジ８０は、図１および３に示す浮選物集合槽１６に落下し、浮選物排出配管１８を介して排出される。
【００４２】
特にスラッジが繊維粒子を含んでいる場合、格別に効果的にスラッジ７８を掬い取るために特に重要なのは、スラッジ除去装置６６ａの回転方向Ｕを、図８と図１０に示す懸濁液・泡・混合体Ａの運動と反対向きにして、掬い取られるスラッジ７８とスラッジパドル７０との相対速度を高くすることである。
【００４３】
それと同時に、液体配管４０と圧力緩和取入口３２を介して、高い圧力下にあり、その際にガスが混入する液体が、円周縁２２の下にある混合室に導入される。 調整ピストン３４によって形成される圧力緩和取入口３２の間隙で、供給された液体に急激な圧力降下が引き起こされ、それによって、液体に溶けているガスが（このガスが、槽底部に存在している圧力で飽和能力を越えると）、有利には約１０μｍから１５００μｍのミクロ泡５２となって出てくる。 このときハンドル車３８によって、調整ピストン３４を必要に応じて軸方向に位置調節することができ、それにより、液体配管４０を介して供給される液体の所望の流量に依存して、液体配管４０内の高まった圧力と連携しながら、所望の泡形成を得ることができる。 このときミクロ泡が混ざった液体は、凝集リアクタ２０の上側領域から追加される懸濁液と混ざり合い、他ならぬこの混合液が矢印Ｋで示すように流れ通路４４を通過する。
【００４４】
できるだけ均等に遅延する流れを得て、流れ通路４４から分離槽１２の主要領域に移行するときにも不連続性と渦形成をできるだけ少なくするために、流れ通路４４の高さは半径方向外側に向かって連続的に、有利には線状に増加している。
【００４５】
図１１ａ、１１ｂおよび１１ｃには、スラッジ除去装置６６ｂの第２実施形態の３通りの施工が描かれている。 やはり図８の場合と同じように分離槽１２の上側で循環するこのスラッジ除去装置６６ｂは、回転駆動装置７２で駆動される有利には水平方向の回転軸８２を有している。 このスラッジ除去装置６６ｂは、回転軸８２の円周に分散された複数のスラッジパドル７０ｃと、同じく円周に分散された一定数のヨーク型カッター８４とを含んでおり、このヨーク型カッターは、回転軸８２に対して平行に延びる刃領域８６と、この刃領域８６を保持する両側の保持支柱８８ａ、８８ｂとを有している。 図示した実施形態では、６つのスラッジパドル７０ｃと３つのヨーク型カッター８４が設けられている。 ランプ部９０と排出溝９２は、スラッジパドル７０ｃが、排出されるべきスラッジを排出溝９２の中に運ぶことができるように配置されており、そこからスラッジはスクリューコンベヤ９４によって半径方向内側に向かって浮選物集合槽１６の中に運ばれる。 この実施形態では、回転軸８２は矢印Ｄで示す方向に回転しており、このときヨーク型カッター８４はスラッジ７８に浸かってその一部を分離し、後続するスラッジパドル７０ｃがこれを捕捉して、ランプ部９０へと運ぶことができ、これが通過した後、分離されたスラッジが排出溝９２の中へ落下する。 このときスラッジパドル７０ｃは、有利には、回転方向Ｄと反対方向を向いている屈折部９６を有しており、それによってスラッジをランプ部９０から完全に排出溝９２の中へ運べるようにする。 このような掬い取り工程では、スラッジ除去装置６６ｂは図１１ｃに矢印Ｕで示す回転方向に回転する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明による固体分離装置を示す垂直方向の模式的な横断面図である。
【図２】
図２は、図１に示す装置の模式的な平面図である。
【図３】
図３は、図１の装置に類似する固体分離装置の中央領域を示す横断面図である。
【図４】
図４は、図３の機構を示す模式的な平面図である。
【図５】
図５は、液体排出装置の有利な実施形態を示す平面図である。
【図６】
図６は、図５に示す実施形態の斜視詳細図である。
【図７】
図７は、代替的な液体排出装置を示す模式的な詳細図である。
【図８】
図８は、本発明による固体分離装置におけるスラッジ除去装置を示す模式的な平面図である。
【図９】
図９は、図８に示すスラッジ除去装置の模式的な側面図である。
【図１０】
図１０は、スラッジ除去装置の一実施形態の機能方式を説明する模式図である。
【図１１】
図１１は、スラッジ除去装置の代替的な実施形態を示す３通りの図である。