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1. WO2020120203 - SEPARATOR UND VERFAHREN ZU DESSEN BETRIEB

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Separator und Verfahren zu dessen Betrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Aus der US 9,789,450 B2 ist eine Anordnung bekannt, welche einen Separator umfasst. Die Gaszumischung erfolgt vor oder nach dem Separator mittels einer gesonderten Vorrichtung.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine effizientere Möglichkeit zur Gasbeimischung in eine Flüssigkeit bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Separator mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein erfindungsgemäßer Separator, insbesondere ein Separator mit vertikaler Drehachse, umfasst eine drehbar gelagerte Trommel mit einem

Trommelinnenraum zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit. Der

Separator weist zumindest eine Gaszuleitung zur Einleitung von Gas in die Flüssigkeit auf, welche in den Trommelinnenraum mündet. Die Flüssigkeit in welche das Gas eingeleitet wird kann auch lediglich eine abgetrennte Phase als Bestandteil der ursprünglich in den Separator eingeleiteten Flüssigkeit sein.

Der Separator ermöglicht z.B. eine Phasentrennung einer flüssigen Suspension in mehrere Phasen, wobei der Separator zugleich eine Anreicherung einer oder mehrerer Phasen mit einem oder zwei Gasen ermöglicht.

Im Vergleich zum vorgenannten Stand der Technik entfällt eine dort beschriebene externe Mischvorrichtung. Bei dem erfindungsgemäßen Separator kann das eingeleitete Gas innerhalb des Separators aufgrund der dort herrschenden turbulenten Strömung besser durch die Flüssigkeit aufgenommen werden.

Dabei wird an einer geeigneten Stelle innerhalb des Separators ein Gas in den Suspensionsstrom oder eine hieraus gewonnene Phase eingeleitet, so dass sich das Gas mit der jeweiligen Phase durchmischt. Bei der Zuführung der zwei Gase kann die Dosage von Gas in den Suspensionsstrom über getrennte Positionen innerhalb des Separators bzw. der Zentrifuge erfolgen.

Es ist zudem möglich den Installationsaufwand und die Installationsfläche zu verringern, da eine bisher erforderliche externe Mischvorrichtung entfällt.

Reinigungsanforderungen können für die Mischungsvorrichtung und die

Zentrifuge aufgrund der kompakten und integrierten Bauweise identisch

ausgeführt werden, was bei Hygieneanwendungen weniger

Zertifizierungsaufwand bedeutet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhaft kann die Gaszuleitung als ein Zuleitungsrohr oder Zuleitungskanal ausgebildet sein. Dies reduziert den Installationsaufwand und ermöglicht einen Austausch dieses Bauteils.

Der Separator kann zudem einen Sensor zur Ermittlung des Gasgehalts in der gashaltigen Flüssigkeit aufweisen. Ist der Gasgehalt z.B. bei zwei ablaufenden Phasen nach einer Phasentrennung interessant, so kann jeweils ein Sensor zur Überwachung und/oder Ermittlung des Gasgehalts für die jeweilige Phase vorgesehen sein.

Der Separator kann hierfür zumindest ein Ablaufrohr zur Ableitung der

gashaltigen Flüssigkeit aus dem Separator aufweisen, wobei das Ablaufrohr den Sensor zur Ermittlung des Gasgehalts in der gashaltigen Flüssigkeit aufweist.

Der Separator kann zudem eine Mess- und/oder Auswerteeinheit aufweisen zur Einstellung des Gasdrucks des über die Gaszuleitung zugeführten Gases. Dies kann u.a. über die Verweilzeit im Separator erfolgen oder über die Zulaufmenge an zu bearbeitender Flüssigkeit.

Besonders bevorzugt kann der Separator ein Ventil zur Einstellung des

Gasdrucks des über die Gaszuleitung zugeführten Gases aufweisen, wobei das Ventil entlang der Gaszuleitung angeordnet ist und über die Mess- und/oder Auswerteeinheit einstellbar ist. In diesem Fall ist die Gaszuleitung auch in einem Bereich außerhalb der Trommel des Separators dem erfindungsgemäßen

Separator zugeordnet.

Der Separator kann zudem einen Verteilerraum zur radialen Ableitung einer axial, also parallel zur Drehachse des Separators, eingeleiteten Flüssigkeit aufweisen, wobei die Gaszuleitung in den Verteilerraum mündet.

Der Separator kann zudem eine Schälkammer aufweisen, wobei die Gaszuleitung in der Schälkammer mündet. Dabei dient die Schälkammer der kontinuierlichen Ableitung einer in der Trommel des Separators geklärten oder abgetrennten Flüssigkeitsphase.

Der Separator kann in verschiedensten Varianten ausgeführt sein. Sollte eine abgedichtete Ausführung erforderlich sein, kann hierbei die Trommel und explizit der Trennraum durch Reibungsdichtungen, wie z.B. Gleitringdichtungen im

Zulaufbereich und/oder im Ablaufbereich von der Umgebung abgedichtet oder isoliert sein. Alternativ kann diese Abdichtung oder Isolierung aber auch durch fluidmechanische Dichtungen erfolgen. Bei diesen Dichtungen wird die

Abdichtung dadurch hergestellt, dass eine stillstehende Scheibe in einen rotierenden Flüssigkeitsring eintaucht. Alternativ kann aber auch eine rotierende Scheibe in einen stillstehenden Flüssigkeitsring eintauchen.

Der Separator kann in an sich bekannter Weise eine Antriebsspindel aufweisen, wobei die drehbar-gelagerte Trommel über die Antriebsspindel angetrieben wird. Die Gaszuleitung kann dabei zumindest bereichsweise als ein Kanal innerhalb der Antriebsspindel ausgebildet sein, welcher im Trommelinnenraum der

Trommel, insbesondere in einer Bodenkammer endständig zu einem sich von der Verteilerkammer radial erstreckenden Verteilerkanal, mündet.

Der Separator kann vorteilhaft zumindest zwei Gaszuleitungen zur Einleiten von Gas an zwei verschiedenen Positionen der Trommel aufweisen. So ist

beispielsweise eine Gaszuleitung vor und nach der Phasentrennung einer Suspension möglich und/oder eine gezielte Nachdosierung von Gas zu einer oder mehreren getrennten Phasen. Die Gase können verschieden sein, so z.B. C02, ein Inertgas oder auch FICI-Gas zur Konzentrationseinstellung bei der

Aufarbeitung von verunreinigter Salzsäure.

Auch eine Fällungsreaktion innerhalb des Separators kann durch die

Gaseinleitung insbesondere im Bereich der Verteilerkammer oder der

Bodenkammer erreicht werden. In Frage kommt hierzu beispielsweise eine

Fällung und Abtrennung eines freien Amins (z.B. als Derivat eines pharmazeutischen Wirkstoffs) in Form eines Hydrochlorids.

Vorteilhaft kann ein erstes Gas z.B. C02 in eine Flüssigkeit nach der Einleitung der Flüssigkeit in den Separator über eine erste Gaszuleitung an einer ersten Position in die Trommel eingeleitet werden.

Ein zweites oder das erste Gas kann zudem in die Flüssigkeit nach deren

Einleitung in den Separator über eine zweite Gaszuleitung an einer zweiten Position in die Trommel eingeleitet werden. Das zweite Gas kann auch ein

Inertgas sein, welches lediglich als Spanngas dient.

Eine bevorzugte Anwendung findet das vorbeschriebene Verfahren in der

Karbonisierung eines Getränks, insbesondere von Bier.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in den Figuren, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter

Verwendung eines erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 2 schematische Schnittansicht einer ersten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 3 schematische Schnittansicht einer zweiten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 4 schematische Schnittansicht einer dritten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 5 schematische Schnittansicht einer vierten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 6 schematische Schnittansicht einer fünften Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 7 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter

Verwendung einer weiteren Ausführungsvariante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 8 schematische Schnittansicht einer sechsten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 9 schematische Schnittansicht einer siebenten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit;

Fig. 10 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter

Verwendung einer weiteren Ausführungsvariante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit unter Verwendung von zwei Gasen;

Fig. 1 1 schematische Schnittansicht einer achten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit; und

Fig. 12 schematische Schnittansicht einer neunten Variante eines

erfindungsgemäßen Separators zur zentrifugalen Bearbeitung einer Flüssigkeit.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsvarianten zeigen verschiedene

Varianten wie eine Gaszufuhr in einen Separator realisiert werden können.

Gleiche Bauelemente in einem Separator werden dabei mit gleichen

Bezugszeichen bezeichnet.

Die Figuren 1 ,7,10 zeigen die schematische Darstellung von Separatoren sowie die für das Verfahren erforderlichen Zu- und Ableitungen zur Anreicherung einer Flüssigkeit mit einem Gas zur Fierstellung einer gashaltigen Flüssigkeit, insbesondere eines C02-haltigen Getränks.

Dabei wird eine Flüssigkeit 1 in die rotierende Trommel eines Separators 4 mit vertikaler Drehachse eingeleitet. In die Flüssigkeit 2 oder in eine Phase dieser Flüssigkeit wird ein Gas eingeleitet. Dies erfolgt innerhalb des Separators 4. Den Separator 4 verlässt eine Flüssigkeit 3, in welcher verteilte Gasbläschen angeordnet sind.

Eine typische und im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugte

Anwendung ist die Karbonisierung eines Getränks, insbesondere von Bier. Die Karbonisierung ist eine Anreicherung von C02 in dem jeweiligen Getränk.

Die Figuren 2-6, 8-9 und 11 -12 zeigen das Trommelsystem und Teile des Antriebssystems von Separatoren, wobei verschiedene Varianten der

Gasanreicherung in eine Flüssigkeit dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Separators 4. Der Separator 4 weist eine T rommel 5 auf. Innerhalb der T rommel 5 ist ein Tellerpaket 6 angeordnet. Die Trommel 5 ist drehbar gelagert und weist zum Ausführen einer Rotationsbewegung eine Antriebsspindel 7 auf.

Der Separator 4 ist über ein Zulaufrohr 15 mit einer zu bearbeitenden Flüssigkeit 1 in axialer Richtung befüllbar. Das Zulaufrohr 15 mündet in einen Verteilerraum 17, aus welchem einer oder mehrere Verteilerkanäle 12 die zugeleitete

Flüssigkeit in radialer Richtung ableiten. Die Flüssigkeit wird sodann in eine oder mehrere Bodenkammern 21 geleitet und von dort über eine Öffnung 13 in einen Schleuderraum 14 geleitet, wo ein zentrifugales Abscheiden von Feststoffen aus der Flüssigkeit erfolgen kann. Die zentrifugal bearbeitete Flüssigkeit wird sodann von radial außen nach radial innen geleitet.

Zum Sammeln und zum Ableiten einer bearbeiteten Flüssigkeit 3 weist der Separator 4 eine sogenannte Schälkammer 9 auf, in welche ein Greifer 10 mündet. Die Schälkammer 9 befindet sich im oberen Bereich des Separators 4,

wohingegen sich die Antriebsspindel 7, und ggf. eine mit der Antriebsspindel verbundene Antriebseinheit, im unteren Bereich des Separators 4 angeordnet sind. Die zentrifugal-bearbeitete Flüssigkeit 3 kann sodann über den Greifer 10 aus dem Separator 4, insbesondere aus der Schälkammer, über ein Ablaufrohr 16 aus dem Separator 4 abgeführt werden.

Fig. 2 zeigt eine Gaszuleitung 1 1 zur Einleitung eines Gases 2 in die Flüssigkeit 1 innerhalb des Separators 4. Die Gaszuleitung 1 1 ist in Fig. 2 unterhalb des Greifers 10, also im Strömungsweg der Flüssigkeit 2 vom Schleuderraum 14 zum Greifer 10, angeordnet. Sie mündet in der gleichen Schälkammer 9 wie der Greifer 10. Somit wird die Schälkammer 9 als Kammer genutzt um eine Menge Gas zu der Flüssigkeit zuzuleiten.

Entlang des Ablaufrohres 16 oder entlang einer daran angeschlossenen

Verrohrung kann ein Sensor 18 zur Bestimmung und/oder Überwachung des Gasgehalts innerhalb der Flüssigkeit angeordnet sein. Ein solcher Sensor kann z.B. ein Leitfähigkeitssensor sein, oder auch ein inline Sensor zur direkten

Bestimmung der Konzentration des gelösten Gases, oder ein anderer geeigneter Sensor.

Nach der Ermittlung oder Überwachung des Gasgehalts kann eine Anpassung erfolgen. Hierfür wird das vom Sensor 18 ermittelte Messsignal an eine Mess-und/oder Auswerteeinheit 19 oder das Steuergerät der Zentrifuge übermittelt. Diese übermittelt ein Einstellsignal an ein Ventil 20 welches entlang der

Gaszuleitung angeordnet ist oder entlang einer Verrohrung, welche mit der Gaszuleitung 1 1 verbunden ist. Das Ventil 20 steuert und/oder regelt den

Gasdruck mit welchem das Gas 2 in die Gaszuleitung 11 und von dort in die Flüssigkeit 1 eingeführt wird. Mündet die Gaszuleitung 1 1 im Bereich der

Schälkammer 9, so wirken nur noch geringe zentrifugale Kräfte auf die Flüssigkeit vor dessen Auslass und das zugeleitete Gas wird durch die zentrifugale

Bearbeitung nicht oder nur in geringem Maße ausgetrieben.

Zudem erfolgt die Zuleitung des Gases 2 über die Gaszuleitung 1 1 unweit von der Messstelle bzw. der Position des Sensors 18.

Die Trommel 5 begrenzt einen Trommelinnenraum, wobei unter anderem der Verteilerraum 17, der Bodenkammer 21 , der Schleuderraum 14 und die

Schälkammer 9 dem Trommelinnenraum zugeordnet sind.

Fig. 3 zeigt eine zu Fig. 2 ähnliche Anordnung einer Gaszuleitung 11‘ innerhalb eines Separators 4’. Die Gaszuleitung 1 1’ ist in diesem Fall oberhalb des Greifers 10 angeordnet. Die Gaszuleitung 1 1’ mündet dabei ebenfalls in der Schälkammer 9 und ermöglicht somit die Zuleitung innerhalb eine räumlich-begrenzte Kammer, welche u.a. zum Schleuderraum 14 geöffnet ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Separators 4”. Die Gaszuleitung 1 1” erstreckt sich in dieser Variante parallel zum Zuleitungsrohr 15, beispielsweise innerhalb des Zuleitungsrohres 15. Die Gaszuleitung 1 1” mündet in den Verteilerraum 17 der Trommel 5. Dabei steht die Gaszuleitung 1 1” gegenüber dem Zuleitungsrohr 15 in den Verteilerraum 17 hervor. Die Einleitung von Gas erfolgt somit bei dieser Variante in axiale Richtung und zwar nach der Zuleitung einer Flüssigkeit 2 in dem Trommelraum vor der Weiterleitung der Flüssigkeit über die Verteilerkanäle 12 in radialer Richtung.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Separators 4’”. Im Unterschied zur Fig. 4 wird bei dieser Variante das Gas 2 radial zur Drehachse 8 in den Verteilerraum 17, insbesondere in einen oberen Teil des Verteilerraumes 17, eingeleitet. Hierfür erstreckt sich die Gaszuleitung 11 durch das

Zuleitungsrohr 15 hindurch und mündet radial zur Drehachse 8 in den

Verteilerraum 17. Auch in den Varianten der Fig. 4 und 5 wird ein gegenüber dem Schleuderraum 14 wesentlich kleinerer Raum zur Einleitung von Gas in die Flüssigkeit genutzt. In diesem Fall handelt es sich um den Verteilerraum 17.

Fig. 6 zeigt eine fünfte Variante eines erfindungsgemäßen Separators 4””. Hier erfolgt die Einleitung von Gas mittels einer Gaszuleitung 1 1”” über die

Antriebsspindel 7 und durch eine mit der Antriebsspindel 7 verbundene

Trommelwandung. Dabei erfolgt die Einleitung von Gas radial zur Drehachse 8 in der Bodenkammer 21 des Separators 4”” in welcher durch den oder die

Verteilerkanäle 12 die Flüssigkeit nach dem axialen Zulauf radial umgeleitet wird.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Separators 30, sowie einer Zuleitung von Gas 2 und einer Flüssigkeit 1 sowie die Ableitung einer gashaltigen Flüssigkeit 3.

Konkret weist der Separator 30 in der Variante der Fig. 8 einen Trommel 31 auf, welche um die vertikale Drehachse 8 rotierbar gelagert ist. Zum Antrieb der Trommel 31 ist eine Antriebsspindel 32 vorgesehen. Axial durch die

Antriebsspindel 32 verläuft ein Zulaufkanal 33 zum Zulauf der zu bearbeitenden Flüssigkeit 1 in einen Verteilerraum 34 des Separators 30. Von dem Verteilerraum 34 verlaufen Verteilerkanäle 35 in radiale Richtung. Die Flüssigkeit kann die Verteilerkanäle 35 endständig verlassen und wird dadurch in einen

Schleuderraum 36 eingeleitet. Innerhalb des Schleuderraumes 36 ist ein

Tellerpaket angeordnet. Die Ausleitung der Flüssigkeit an einem axialen Ende der Trommel 31 kann über ein Ablaufrohr 37 erfolgen. Die Einleitung des Gases 2 in den Separator 30 kann über eine Gaszuleitung 38 erfolgen, welche parallel, insbesondere koaxial zur Drehachse 8 innerhalb des Zulaufkanals 33 angeordnet ist. Auch der Zulaufkanal verläuft vorzugsweise koaxial zur Drehachse 8 des Separators 30.

In Fig. 9 ist eine zweite Ausführungsvariante in Abwandlung des Separators 30’ der Fig. 8 dargestellt. In diesem Fall ist die Gaszuleitung 38’ zumindest innerhalb der Trommel 31 coaxial oder parallel zur Drehachse 8 in oder entlang des

Ablaufrohres 37 angeordnet.

Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Zuleitung von zwei Gasen 2, 2’ und einer Flüssigkeit 1 in einen Separator 4V.

Separator 4V weist hierfür zwei Gaszuleitungen 1 1’ und 1 1” auf, welche in den oberen Bereich der Trommel 5 geführt sind.

Fig. 1 1 zeigt einen Querschnitt des Separators 4V. Es ist eine erste Gaszuleitung 1 T im Bereich der Schälkammer 9 vorgesehen und eine zweite Gaszuleitung 1 1” welche in dem Verteilerraum 17 mündet. Durch die erste Gaszuleitungl T kann ein erstes Gas in die Flüssigkeit geleitet werden und durch die zweite

Gaszuleitung 1 1” kann ein zweites Gas in die Flüssigkeit geleitet werden. Es ist möglich, dass das zweite Gas 2’ C02 ist und dass das erste Gas 2 ein Inertgas, z.B. Stickstoff ist. Das erste und das zweite Gas können allerdings auch identisch sein. In einer bevorzugten Anwendung kann das zweite Gas 2’ im Verteilerraum 17 des Separators 4V in die Flüssigkeit 1 eingeleitet werden, während das erste Gas in der Schälkammer 9 als Spanngas genutzt wird um einem Ausschäumen von C02 aus der Flüssigkeit während der zentrifugalen Bearbeitung der

Flüssigkeit entgegenzuwirken. Idealerweise kann ein dadurch geschaffenes

Gaspolster in der Schälkammer 9 nicht bis zur Mündung des Greifers 10 reichen, sondern oberhalb des Greifers liegen.

Eine solche Betriebsweise setzt eine Abdichtung des rotierenden Systems wie bereits vorher beschrieben voraus.

Fig. 12 zeigt eine weitere gegenüber der Fig. 1 1 abgewandelte Variante eines Separators 4VI. Dabei erfolgt eine Zuleitung eines ersten Gases 2 anstatt innerhalb der Schälkammer 9 innerhalb des Ablaufrohres 16 über eine

Gaszuleitung 1 1 v.

Bezugszeichen

1 Flüssigkeit

2 Gas

2’ Gas

3 Gashaltige Flüssigkeit

4 Separator

4’ Separator

4” Separator

4’” Separator

4”” Separator

4V Separator

4VI Separator

5 Trommel

6 Tellerpaket

7 Antriebsspindel

8 Drehachse

9 Schälkammer

10 Greifer

1 1 Gaszuleitung

1 T Gaszuleitung

11” Gaszuleitung

1 T” Gaszuleitung

11”” Gaszuleitung

11 v Gaszuleitung

12 Verteilerkanäle

13 Öffnung

14 Schleuderraum

15 Zulaufrohr

16 Ablaufrohr

17 Verteilerraum

18 Sensor

19 Mess- und/oder Auswerteeinheit

20 Ventil

21 Bodenkammer

30 Separator

30’ Separator

31 Trommel

32 Antriebsspindel

33 Zulaufkanal

34 Verteilerraum 35 Verteilerkanal

36 Schleuderraum

37 Ablaufrohr

38 Gaszuleitung

38’ Gaszuleitung