Separator (Verfahrenstechnik)
Ein Separator (auch Purifikator und Klarifikator genannt, von lat.: separare = trennen, absondern) trennt verschiedene Phasen unterschiedlicher Dichten voneinander.
Funktionsprinzip
Separatoren arbeiten nach dem Prinzip der Trennung mittels Zentrifugalkräften. Gegenüber einem Absetzbehälter wird die einfach nach unten wirkende Erdbeschleunigung durch eine dergegenüber größere, bei Zentrifugen mehrere tausendfache, Zentrifugalbeschleunigung ergänzt oder ersetzt. Voraussetzung für eine gute Trennung eines Gemisches ist, dass die einzelnen Phasen des Gemisches unterschiedliche Dichten haben. Weiterhin sollten die Feststoffe einen großen Dichteunterschied zu den flüssigen oder gasförmigen Phasen haben.
Betrachtet man die Austritte der Flüssigphasen spricht man von einem kontinuierlichen Prozess, da diese kontinuierlich aus der Separatorentrommel ausgetragen werden. Beim Feststoffaustrag unterscheidet man zwischen manueller Entfernung der Feststoffe, automatischem, intermittierendem Feststoffaustrag sowie kontinuierlichem Feststoffaustrag. Bei allen 3 Feststoffaustragsvarianten können 2 oder 3 Phasentrennungen vorgenommen werden. Aufgrund der größten Dichte der Feststoffe sammeln sich diese im Zentrifugalfeld als äußerster Ring, direkt an der Trommelinnenwand.
Bei den feststoffsammelnden Separatoren müssen die Separatoren in bestimmten Zeitintervallen angehalten und geöffnet werden, damit die Feststoffe manuell entfernt werden können. Bei Separatoren mit diskontinuierlichem, automatischen Feststoffaustrag werden die Feststoffe ebenfalls an der Trommelinnenwand gesammelt. In einstellbaren Zeitintervallen wird die Trommel über eine Wasserhydraulik kurzfristig, bei voller Drehzahl, geöffnet(Unteres Bild, mittlerer Separator, dunkelgrauer Schieberboden gleitet nach unten). Die Feststoffe werden mittels der vorhandenen, kinetischen Energie ausgetragen und die Trommel wird wieder geschlossen.
Bei Separatoren mit kontinuierlichem Feststoffaustrag spricht man auch von Düsenseparatoren, die es in verschiedenen Ausführungen für diverse Aufgabenstellungen gibt. Sowohl bei den kontinuierlich als auch bei den diskontinuierlich austragenden Separatoren wird immer ein Teil Flüssigkeit mit entleert (Spüleffekt). Die Flüssigphase(n) wird(werden) entweder drucklos aus dem Separator abgeführt oder auch unter Druck. Man spricht hierbei von Schälscheiben (Greifer), die wie ein stehendes Pumpenrad funktionieren, während die Flüssigkeit rotiert.
Man spricht bei der Separation von 3 verschiedenen Trennaufgaben:
- Bei der Klärung/Klarifikation wird eine Feststoffphase aus einer Flüssigphase abgetrennt.
- Bei der Trennung zweier Flüssigkeiten (evtl. auch einer Feststoffphase) wird unterschieden, ob die schwere Phase oder die leichte Flüssigphase überwiegt.
- Bei der Purifikation wird eine schwere Flüssigphase aus einer leichteren Flüssigkeit abgetrennt, beispielsweise Brennstoffaufbereitung.
- Überwiegt andererseits die schwere Flüssigphase, aus der eine leichte Flüssigphase abgetrennt
werden soll, spricht man von einer Konzentration
Bauarten
Hydrozyklone
Separatoren:
- Düsenseparatoren
- Preßschneckenseparatoren
- Kammerseparatoren
- Tellerseparatoren
- Vollmanteltellerseparatoren
Dekanter:
- Zweiphasen-Dekanter
- Dreiphasen-Dekanter
Zentrifugen:
- Dreisäulenzentrifugen
- Einpufferzentrifugen
- Gleitschwingzentrifugen
- Schwingzentrifugen (Taumelzentrifugen)
- Vollmantel-Schälzentrifugen
- Vollmantel-Schneckenzentrifugen
- Röhrenzentrifugen
- Siebtrommel-Schälzentrifugen
- Schubzentrifugen
- Siebschneckenzentrifugen
- Spänezentrifugen
- Stülpfilterzentrifugen
- Universalzentrifugen
Anwendung
Anwendung in der chemischen und biotechnischen Industrie
Separatoren werden zur Klärung von Flüssigkeiten oder zur Trennung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte eingesetzt. Sie ersetzten dabei Zentrifugen, sobald die zu reinigenden Volumenströme zu groß für ein wirtschaftliches Batch-Verfahren sind. Typische Anwendungen in der Biotechnologie sind die Klärung von Zellkulturüberständen oder Fermenterbrühen sowie die Trennung von wässrigen Zwei-Phasen-Systemen.
Anwendung beim Verbrennungsmotor und im Schmierölkreislauf
Der Betrieb eines Separators ermöglicht den Dauerbetrieb des Schmieröles (Lub Oil) von der Indienststellung eines Schiffes bis zur Verschrottung. Ein Ölwechsel wie bei anderen Fahrzeugen wäre bei Schiffsmotoren und der zu schmierenden Bordmaschinen wegen des benötigten großen Ölvolumens eine sehr kostspielige Angelegenheit. Ein Dauereinsatz des Schmieröles ist aber auch nur durch den gleichmäßigen Verbrauch und damit gleichmäßigem Zusatz möglich. Das Schmieröl altert so nicht und ist bei gut funktionierendem Separator immer im besten Zustand bei gleich bleibender Viskosität.
Schweröl (Heavy Fuel Oil) und Dieselöle von sehr minderwertiger Qualität enthalten störende Beimengungen und müssen ebenfalls permanent gereinigt werden. Das Prinzip kann im Falle von emulgierten Mineralölen nur unter bestimmten Voraussetzungen erfolgreich angewendet werden. Aufgrund der Preisvorteile gegenüber anderen Brennstoffen ist Schweröl der Hauptbrennstoff in der zivilen Handelsmarine. Militärische Marinen benutzen höherwertige Brennstoffe (Diesel), bzw. Kernenergie.
Für beide oben genannten Öle müssen bis zu bestimmten Separatorengenerationen zwei unterschiedliche Trommeln verwendet werden, welche sich im Verschleißschutz durch spezielle Verschleißbleche in der Trommel unterscheiden, sogenannte LO- und HFO-Trommeln. Neuere Trommelgenerationen benötigen diesen Verschleißschutz nicht mehr, da diese über eine schnellere Entleerungsintervalle verfügen.
Bei der Separierung von Schwerölen werden im Schiffsbetrieb bevorzugt ein Purifikator (zur Wasserabscheidung) und ein Klarifikator (für die Festkörperabscheidung), die in Reihe geschaltet werden, eingesetzt.
Weitere Anwendungen
Ein Dekanter im industriellen Sinne (nicht zu verwechseln mit dem manuellen Dekantieren, insbesondere von Wein) ist eine weitere Zentrifugenbauart. Hier werden die festen Bestandteile der zu trennenden Stoffe mit einer langsamer oder schneller laufenden Förderschnecke stetig aus der Zentrifugentrommel entfernt.
Der Dekanter (Dekantierzentrifuge) kommt in der Regel bei höherem Feststoffgehalt (ab etwa 3 % im Zulauf) zum Einsatz. Bei der Dekantierzentrifuge findet eine Feststoff / Flüssigkeitstrennung statt. Feststoffe und Flüssigkeit werden kontinuierlich ausgetragen. Eine weiterentwickelte Bauform ist der 3-Phasen-Dekanter. Hier werden Feststoffe und zwei unterschiedliche, nicht ineinander lösbare Flüssigkeiten voneinander getrennt. Ebenso gibt es die Möglichkeit, zwei unterschiedlich schwere Feststoffe von einer Flüssigkeit zu trennen (z. B. bei Kunststoffrecycling).
Einsatzgebiete von Dekantierzentrifugen sind z. B. Klärschlammbehandlung, Pharmabereiche, Lackschlammbehandlung. In den letzten Jahren hat der Dekanter im Bereich Klärschlammentwässerung andere Entwässerungsverfahren wie Kammerfilterpressen und Siebbandfilter stark verdrängt und trägt sehr zur Minderung des sogenannten Klärschlammtourismus bei.
Im Zuge der technischen Weiterentwicklung werden sowohl an die Dekanter selbst, als auch an die einzelnen Komponenten stetig wachsende Ansprüche bezüglich der Bauart, des Materials, der Präzision und der Leistungsfähigkeit gestellt. Daher werden bestimmte Kernkomponenten, wie konische oder zylindrische Trommelmäntel, Schneckenkörper, Dichtungsdeckel, Rohre, Büchsen oder Ringe im Schleudergussverfahren hergestellt, denn die dabei verwendeten Werkstoffe (Duplex- Stähle, Austenite, Nickel- Basis- Legierungen) bieten eine optimale Festigkeit und eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit.
Weblinks
Separatoren: Theorie, Funktionsprinzip, Aufbau und Arten der Separation - Alfa Laval Mid Europe
Selbstentleerende Separatoren: Animiertes Funktionsprinzip des Selbstsentleerungsmechanismus eines Tellerseparators - Flottweg AG Deutschland