5.14.3.2 Der Siebdekanter

5.14.3.2.1    Aufbau und Funktion

Der Siebdekanter, der in den USA entwickelt wurde, kann als eine Hintereinanderschaltung eines Vollmanteldekanters und einer Siebschneckenzentrifuge aufgefasst werden. In der gebräuchlichsten Ausführung ist an einer „normalen“ zylindrisch-konischen Trommel am Austragsdurchmesser noch ein zylindrischer Trommelteil mit Siebeinsatz angeflanscht (Abb. 1 und Abb. 3).

Abb. 1:                Schematische Darstellung eines Siebdekanters [KHD Humboldt Wedag].

Abb. 3:                Ansicht eines Siebdekanterrotors [KHD].

Wie auch beim Gegenstromdekanter, wird die Suspension in den Vollmantelteil der Trommel, etwa am Übergang Zylinder/Konus, zugegeben. Dort sedimentiert der Feststoff auf die Trommelinnenseite und wird von der Schnecke den Konus hinaufgeschoben.

Im Vollmanteldekanter unterliegt die Entfeuchtung auf der Trockenzone des Konus einer Reihe von einschränkenden Bedingungen; wie in Kap. 5.8 schon ausführlich erläutert wurde:

-    Die Abströmung der Flüssigkeit erfolgt nicht in die Richtung der Zentrifugalbeschleunigung. Die für die Entfeuchtung wirksame Beschleunigung wird somit entsprechend den Winkelverhältnissen geringer.

-       Die abdrainierende Flüssigkeit muss durch das Haufwerk hindurch und durch den Spalt zwischen Schnecke und Trommel, konusabwärts strömen.

-       Die Filtration der Flüssigkeit erfolgt gegensinnig zur Bewegungsrichtung des Feststoffs.

Als Folge dieser Restriktionen steigt die Restfeuchte ab einem charakteristischen Durchsatz steil an (sog. Eckdurchsatz). Wird in einer Maschine mit Vollmanteltrommel zusätzlich noch auf dem Konus gewaschen, erhöht sich die abzudrainierende Menge an Flüssigkeit und der Eckdurchsatz beginnt bei entsprechend kleineren Durchsätzen. Der Filtrationsvorgang auf dem Konus stellt in diesem Fall den verfahrenslimitierenden Schritt dar.

Diese Situation wird beim Siebdekanter durch eine Entkopplung der zwei Grundvorgänge „Sedimentation“ und „Filtration“ umgangen. Im Vollmantelteil der Trommel kann der Feststoff sedimentieren, auf dem Siebteil der Trommel wird filtriert. Die Trockenzone des Konus spielt für die Entfeuchtung keine wesentliche Rolle mehr und kann entsprechend kurz ausgeführt werden.

Da auf die Nachlaufströmung des Films am Konus in diesem Fall verzichtet werden kann, wird üblicherweise der „Austragsradius“, d.h. hier der Siebradius, möglichst groß gehalten. Dieser soll nur unwesent­lich radial weiter innen liegen als die Flüssigkeitsoberfläche. Der Winkel des kurzen Konusteils kann hier sehr steil ausgeführt werden, auch wenn dadurch der Transportwinkel etwas höher als üblich zugelassen wird (siehe Kap. 5.8). Ein Nachschub des Feststoffs aus dem Zylinder ist für diesen kurzen Konus tolerierbar. Die so erreichte Verkürzung des Konus kommt der Verlängerung des Sieb und/oder des Klärteils zugute.

Aus maschinendynamischen Gründen wird meist sowohl für den Normaldekanter als auch für den Siebdekanter der Lagerabstand konstant gehalten. Daraus folgt, dass die Länge des zylindrischen Klärteils etwa um die Länge des hinzugekommenen Siebteils kürzer ausfallen muss; die Klärung kann sich durch die entsprechend verkleinerte Klärfläche verschlechtern.

Die Länge des Siebteils ist durch die auftretenden Transportmomente und die Biegestabilität des Rotors sowie durch die degressive Wirksamkeit der zusätzlichen Länge auf die weitere Entfeuchtung begrenzt. Der im Siebbereich mitgerissene Feststoff wird mit dem Filtrat zum Zulauf rezirkuliert und tritt im Prozess nach außen somit nicht in Erscheinung. Eine Gefahr der Feinststoffanreicherung besteht hierbei nicht, da der Feststoffdurchschlag in seiner Kornverteilung unwesentlich feiner ist als der Zulauf und der Feinanteil bei hochkonzentrierten technischen Suspensionen im Sediment eingebettet wird.

Als Siebe werden Spaltsiebe ähnlich denen der Schubzentrifuge verwendet, die sich nach außen in ihrer Spaltweite öffnen, um Verstopfungen zu verhindern. Bei abrasiven Feststoffen werden Hartmetall- oder Keramiksiebe verwendet, welche zum Teil in „Fensterbauweise“ auch von außen ausgewechselt werden können.

Da der Feststoff, wie in Kap. 5.8 beschrieben, zur axialen Richtung einen Transportwinkel aufweist, ist die Verwendung rein axialer Sieblamellen nicht unproblematisch. Der Feststoff wird schräg über das Sieb geführt, was einen Hobeleffekt erzeugt. Das Drehmoment wird wesentlich erhöht, und durch den verstärkten Produktabrieb passiert mehr Feststoff ins Zentrat. Gedrehte, also spiralig angestellte Sieblamellen vermindern diesen Effekt.

Im Siebteil können auch ringförmige Spaltsiebe eingesetzt werden. Durch eine leichte konische Oberfläche der einzelnen Ringe kann auch hier der unerwünschte Hobeleffekt auf den Kuchen unterdrückt werden (Abb. ‑5).

Abb. 5:                Ringförmige Spaltsiebe [MVM].

Die Siebeinsätze werden von innen oder außen in den zum „Käfig“ ausgefrästen zylindrischen Teil der Trommel befestigt, Damit ist eine schnelle und ungehinderte Abfuhr der drainierenden Flüssigkeit sichergestellt. In Abb. ‑7 ist dies schematisch dargestellt.

Abb. ‑7:                Verschiedene Siebausführungen [Sokolow 1971].

5.14.3.3                     Drehmomententstehung

Bei einem objektiven Vergleich eines Vollmantel- und eines Siebdekanters gleicher Größe muss beachtet werden, dass die Maschinen i.a. mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden müssen. Gegenüber einem normalen Dekanter wird der um den zylindrischen Siebteil verlängerte Dekanter ein höheres Drehmoment erzeugen, dessen Wert im Folgenden abgeschätzt werden soll.

Bei konstanter Differenzdrehzahl gilt für einen Dekanter

(1                                          

Das Moment eines Siebdekanters kann als Summe der Momente eines Normaldekanters plus dem Teilmoment des Siebteils aufgefasst werden. Bei Verwendung ein- und derselben Getriebegröße ist das maximal übertragbare Drehmoment für beide Versionen das gleiche:

             (2

daraus folgt:

(3       

der C-Wert wird danach

(4            

Wegen der Trockenreibung auf dem Sieb und dem zusätzlich durch die Sieblamellen sich ergebenden hohen Reibwert kann man größenordnungsmäßig

(5            

setzen, danach wird:

                           

Der für die Entfeuchtung schließlich entscheidende C-Wert auf dem Sieb ist noch um das Verhältnis rscr·rniv-1 geringer, so dass sich ergibt

(7                          

Wegen der hohen Drehmomenterzeugung des Siebs, die noch höher als nach obiger Abschätzung sein kann, sollen die Differenzdrehzahlen nicht zu niedrig eingestellt werden. Die Sieblänge könnte in vielen Fällen kürzer gewählt werden als heute üblich. Bezüglich der Gefahr der Drehschwingungen bei hohen Drehmomenten und niederen Differenzdreh­zahlen sei auf Band III „Selbsterregte Schwingungen“ verwiesen.

5.14.3.4                     Restfeuchtevergleich zwischen Vollmantel- und Siebdekanter

In Abb. ‑9 ist der Vergleich eines Vollmanteldekanters im Pilotmaßstab (Ddr = 250 mm) mit dem einer Siebdekantervariante gleicher Größe hinsichtlich der Restfeuchte des ausgeworfenen Feststoffs dargestellt. Die Restfeuchteanstiege des Vollmanteldekanters sind bei allen Drehzahlen einem fast horizontalen Verlauf beim Siebdekanter gewichen.

Abb. 9:                Vergleich der RF-Ergebnisse eines Normaldekanters mit denen eines Siebdekanters; Ddr = 250 mm [Stahl].

Abb. 11 zeigt den Vergleich von Restfeuchteergebnissen zwischen Vollmantel- und Siebdekanter mit demselben Produkt in einem Produktionsbetrieb. Der Vollmanteldekanter beginnt bei niedrigen Durchsätzen mit 2,5 % niedrigerer Restfeuchte als der Siebdekanter; die Distanz vermindert sich durch den zunehmenden Filmanteil, und nach dem Knickpunkt des Vollmantel­dekanters bei ca. 3,6 to·h-1 ist der Siebdekanter im Vorteil. Er behält auch bei sehr hohen Durchsätzen eine horizontale Charakteristik mit etwas über 3 % Abstand zur Gleichge­wichtsfeuchte; trotz der langen Entfeuchtungs­verweilzeit. Ein kürzerer Siebteil und dafür höhere C-Werte hätten den Siebdekanter vermutlich noch bessere Restfeuchten erreichen lassen.

Abb. 11:             Testergebnisse eines Siebdekanters mit dem Produkt PVC [MVM].

Bei Siebdekantern wurde vielfach beobachtet, dass die Restfeuchte bei steigendem Feststoffdurchsatz auch abfallen kann. Die Ursache ist in einem mit dem Durchsatz zunehmenden Durchschlag des Feinkorns ins Zentrat zu suchen. Tatsächlich ist mit dem beginnenden Restfeuchteabfall ein progressiver Anstieg des Feststoffs im Zentrat zu beobachten. Bei der Kohleaufbereitung kann dieser „Klassiereffekt“ genutzt werden. Der mit dem Zentrat ausgeschwemmte Feststoff ist im Asche- bzw. Bergegehalt höher als der Mittelwert des Zulaufs. Eine Nachflotation erhöht somit das Kohle­aus­bringen.

Ist ein Durchschlag an feinkörnigem Material ins Zentrat jedoch auszuschließen, kann auch bei Siebdekantern ein leichter Restfeuchteanstieg über dem Durchsatz beobachtet werden (Abb. ‑13). Dieser ist auf die zunehmende Kuchendicke und die dadurch immer weniger weit ablaufende Kinetik der Filmdrainage zurückzuführen. Ein mit dem Siebdekanter vergleichbarer Normaldekanter (Ddr = 500 mm), der für Vergleichsuntersuchungen verwendet wurde, hat seinen Restfeuchte­knick­punkt (Eckdurchsatz; siehe hierzu auch Kap. 5.8) bei etwa 4 to·h-1. Trotz des allmählichen Anstiegs der Restfeuchte mit dem Durchsatz ist auch in diesem Beispiel der Siebdekanter dem Normaldekanter hinsichtlich des Entfeuchtungs­ergebnisses überlegen.

Abb. 13:             Testergebnisse eines Siebdekanters mit Produkt PVC bei konstanter Hauptdrehzahl, Differenzdrehzahl [Stahl].

Abb. 15 zeigt nicht nur den Vergleich des Restfeuchteverhaltens zwischen einem Vollmantel­dekanter (abknickender RF-Verlauf) und einem Siebdekanter (durchgehender nur leicht ansteigender) Verlauf, sondern es sind zusätzlich auch Messwerte von ein- und zweistufigen Schub­zentrifugen dargestellt. Die zweistufige Schubzentrifuge erreicht bei diesem oberflächenrauen Produkt – gleichen C-Wert vorausgesetzt – die niedrigsten Restfeuchten. Dies könnte an der ent­sprechend höheren Verweilzeit und offensichtlich auch an der Umorientierung des Kuchens liegen.

Abb. 15:        Vergleich verschiedener Zentrifugentypen in Pilotgröße in einem PVC-Produkt [MVM].