Der Kern der Dehydratation und Klärung ist die Fest-Flüssig-Trennung von Suspensionen. Bei der Dehydratation wird die flüssige Phase von der festen Phase getrennt, bei der Klärung die feste Phase von der flüssigen Phase. Bei der Konzentrierung wird die Konzentration der festen Phase in der Suspension erhöht, und bei der Klassifizierung werden die Partikel unterschiedlicher Partikelgröße in der Suspension anhand einer bestimmten kritischen Partikelgröße dkp in zwei Gruppen von Partikeln größer als dkp und kleiner als dkp unterteilt. Unter Trennung versteht man im Allgemeinen die Trennung zweier nicht miteinander mischbarer Flüssigkeitsphasen. Sind die beiden Flüssig-Flüssig-Phasen kontinuierliche Phasen, hängt die Trennung der beiden Phasen nur von ihrer Dichte ab. Ist eine Phase eine kontinuierliche und die andere eine dispergierte Phase, handelt es sich um die Trennung von Emulsionen. Die Zweiphasentrennung von Emulsionen hängt nicht nur vom Dichteunterschied ab, sondern auch von der Tröpfchengröße der dispergierten Phase, der Oberflächenspannung und anderen Faktoren, und die Trennung ist schwierig. Die Zentrifugaltrennung ist ein physikalischer Prozess. Der Trennaufwand hängt von den Materialeigenschaften des Materials und den Trenneigenschaften der Zentrifuge ab.
1. Zentrifugale Entwässerung
Zentrifugale Entwässerung kann mit zwei Verfahren durchgeführt werden: Filterzentrifugen und Sedimentationszentrifugen.
Die Filterzentrifuge verwendet Filtermedien wie Filtersiebe, um Feststoffpartikel durch die Zentrifugalkraft auf dem Filtersieb zurückzuhalten. Die Flüssigkeit wird durch das Filtersieb abgelassen, um eine Fest-Flüssig-Trennung zu erreichen. Diese Maschine zeichnet sich durch einen niedrigen Energieverbrauch, waschbare Filterkuchen und eine hohe Feststoffentwässerungsrate aus. Sie eignet sich für Materialpartikel mit geringem Dichteunterschied zwischen Feststoff und Flüssigkeit und einer Partikelgröße von mindestens µm. Der Feststoffgehalt der zugeführten Flüssigkeit darf 30–60 % betragen.
Wenn Materialpartikel wie Kristalle während des Entwässerungsprozesses zerbrechen, kann eine Schaberentleerungszentrifuge gewählt werden. Sollen Materialpartikel wie Kristalle nicht zerbrechen, eignen sich Kolbenentladungs-, Handschub- und Zentrifugalentladungszentrifugen. Die Entwässerungsleistung hängt neben der Wasseraufnahme des Materials auch vom Trennfaktor, der Trennzeit, der Filtermaschenweite, der Porosität, der Viskosität des Materials, der Oberflächenspannung und der Hydrophobie der Filterkuchenschicht der Zentrifuge ab.
Für Partikel mit geringer Feststoffkonzentration, hoher Viskosität, feiner Partikelgröße oder amorphem Myzel sind Filterzentrifugen in der Regel ungeeignet. Zu feine Partikel können leicht durch den Filter sickern und Materialleckagen verursachen. Ein zu feiner Filter führt zu einer schlechten Hydrophobie, was die Maschinenverarbeitungskapazität und die Partikelentwässerungsleistung verringert. Amorphes Myzel und ölige Partikel können den Filter leicht verstopfen. Für diese Materialien empfiehlt sich die Verwendung einer Sedimentationszentrifuge ohne Filter.
Die Sedimentationszentrifuge nutzt den Dichteunterschied zwischen fester und flüssiger Phase. Im Zentrifugalfeld weist die feste Phase eine hohe Dichte auf und setzt sich an der Innenwand der Zentrifugentrommel ab. Das Sediment wird über den Spiralförderer im Inneren der Trommel ausgetragen. Die flüssige Phase hat eine geringe Dichte, tendiert zur Trommelmitte und fließt aus dem Überlauf der Maschine ab, um die Flüssig-Fest-Trennung und Entwässerung zu erreichen. Dieser Maschinentyp verfügt über einen hohen Trennfaktor und keinen Filter. Die Fest-Flüssig-Trennung nutzt den Dichteunterschied zwischen den beiden Phasen. Sie eignet sich besonders für amorphes Myzel, öligen Schlamm und feine Partikel mit hoher Viskosität.
Dieses Modell benötigt keinen hohen Feststoffgehalt im Zulauf. Der Feststoffgehalt verschiedener Materialien kann zwischen 1 % und 40 % (Massenanteil) liegen. Die Partikelgröße beträgt Mikrometer oder mehr. Dieser Maschinentyp hat jedoch eine schlechte Waschwirkung auf das Sediment, einen höheren Energieverbrauch als eine Filterzentrifuge und eine schlechtere Entwässerungswirkung als eine Filterzentrifuge.
2. Zentrifugale Klärung
Klärung bezeichnet die Abtrennung einer geringen Menge Feststoff aus einer großen Menge Flüssigkeit. Sie wird häufig in der Pharma-, Lebensmittel-, Getränke- und anderen Industriezweigen eingesetzt. Da der Feststoffgehalt gering und die Partikelgröße klein ist, ist für die Trennung ein Tellerseparator oder eine Röhrenzentrifuge mit hohem Trennfaktor erforderlich. Gelegentlich können auch Präzisionsfilter oder Membranseparationen eingesetzt werden.
3. Zentrifugale Konzentration
Durch Konzentration kann der Feststoffgehalt in der Suspension erhöht werden. Beträgt der Feststoffgehalt der ursprünglichen Suspension beispielsweise 0,5 % ds (Massenanteil, ds ist der Trockenfeststoff, bezogen auf den absoluten Trockenfeststoff), wird der Feststoffgehalt durch Schwerkraftsedimentation, Zentrifugalsedimentation oder Filtration um 3–5 % ds erhöht. Dieser Prozess wird als Konzentrationsprozess bezeichnet. Die Flüssigphase wird dabei stark reduziert.
Beispiel: Schlammkonzentration in städtischen Kläranlagen: Werden 100 m³ Sekundärschlamm mit einem Feststoffgehalt von 0,5 % ds auf 5 % ds konzentriert, müssen 90 m³ Flüssigkeit aus 100 m³ Sekundärschlamm entfernt werden, um einen Feststoffgehalt von 5 % ds zu erreichen. Dadurch wird das nachfolgende Schlammentwässerungsvolumen erheblich reduziert. Modell und Größe der gewählten Entwässerungsmaschine werden entsprechend reduziert. Zu den gängigen Zentrifugalkonzentratoren gehören horizontale Spiralentladungs-Sedimentationszentrifugen, Scheibendüsen-Schlackenabscheider und Hydrozyklone sowie Rotationssiebkonzentratoren.
4. Zentrifugalklassifizierung
Die Partikelklassifizierung basiert auf den unterschiedlichen Partikelgrößen der Partikel in der Suspension und deren unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeiten. Die Methode, bei der die Partikel in der Suspension durch unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeiten entsprechend ihrer Partikelgröße in zwei oder mehr Partikelgruppen unterteilt werden, wird als Nassklassifizierung bezeichnet; die Methode, bei der die Partikel mittels Gasmedium gefiltert werden, wird als Trockenklassifizierung bezeichnet.
Nasszentrifugalklassifizierung: Zu den gängigen Modellen gehören horizontale Spiralentladungs-Sedimentationszentrifugen. Der spiralförmige Auslaufstutzen dieses Maschinentyps ist als kreuzförmige Längsnut ausgebildet, sodass die Auslassposition des Zuleitungsrohrs axial vorwärts und rückwärts verschoben werden kann, um die Sedimentationszeit der Partikel zu verändern. Abhängig vom Dichteunterschied zwischen fester und flüssiger Phase und der für die Klassifizierung erforderlichen kritischen Partikelgröße dkp können Trennfaktor, Differenzgeschwindigkeit und Auslassposition des Zulaufrohrs so gewählt werden, dass Partikel größer als dkp als Sediment abgesetzt und über den Schlackenauslass am kleinen Trommelende ausgetragen werden; Partikel kleiner als dkp verbleiben in der Flüssigphase und werden mit der Flüssigphase über den Überlauf am großen Trommelende ausgetragen. Dadurch wird eine kontinuierliche Partikelklassifizierung erreicht. Für eine gute Klassifizierung sollte das Fest-Flüssig-Verhältnis der Suspension angemessen sein. Während des Klassifizierungsprozesses sollte eine angemessene Menge Dispergiermittel zugegeben werden, um die Agglomeration kleiner Partikel zu verhindern.
Für die Partikelklassifizierung mit sehr kleinem Verarbeitungsvolumen kann eine dreibeinige Sedimentationszentrifuge gewählt werden. Deren Trennfaktor ist jedoch niedrig, sodass kleinere Partikel nicht klassifiziert werden können.
5. Zentrifugaltrennung
Zentrifugaltrennung bezeichnet die Zwei- oder Dreiphasentrennung von Flüssig-Flüssig bzw. Flüssig-Flüssig-Feststoff. Die Phasen müssen jedoch inhomogene Systeme sein, die nicht miteinander mischbar sind. Das Prinzip der Trennung beruht auf der Ausnutzung des Dichteunterschieds zwischen den Phasen. Gängige Verfahren sind die Öl-Wasser-Trennung und die Öl-Seifen-Trennung bei der Speiseölverarbeitung sowie die Öl-Wasser-Schlacke-Trennung bei der Heizöl- und Schmierölreinigung. Als Zentrifugen werden manuelle Scheiben-Schlackeabscheider und Scheiben-Kolben-Schlackeabscheider verwendet. Zur Öl-Wasser-Schlacke-Trennung bei der Reinigung von Palmöl, Kohlenteer und Olivenöl werden meist horizontale Dreiphasenzentrifugen mit Spiralentladung eingesetzt. Zur Flüssig-Flüssig- und Flüssig-Flüssig-Fest-Trennung in der Medizin, Nahrung und Getränken werden aufgrund der geringen Verarbeitungskapazität im Allgemeinen Rohrabscheider verwendet.