Zum Einfluss des Filtermittels und der auftretenden Interferenzen zwischen Filterkuchen und Filtermittel bei der Kuchenfiltration

The influence of filter media and the occurring interferences between filter cake and filter media at cake filtration

  • Die Bestimmung der Filtrierbarkeit von Suspensionen mit einer neuen Auswertemethode auf der Grundlage bekannter und erprobter Auswerteverfahren ergibt eindeutige Auswertekriterien insbesondere bei inkompressiblen Feststoffen und newtonschen Flüssigkeiten. Eine verbesserte Messtechnik erfasst den Filtratanfall bei beginnender Sättigung genau und vereinfacht die Zeitnahme. Methode und Technik erhöhen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Bestimmung von Filtermittel- und Filterkuchenwiderstand und schaffen eine präzise Grundlage zur Auslegung von kontinuierlichen Fest-Flüssig-Filtern hoher Durchsatzleistung oder zur Entwicklung widerstandsarmer Filtermittel. Die Messungen zeigen einen hohen Anteil des Filtermittelwiderstandes am Gesamtwiderstand und erlauben die Berechnung eines Richtwertes für den Filtermittelwiderstand. Die industrielle Fest-Flüssig-Trennung wird in der chemischen, pharmazeutischen und Aufbereitungs-Industrie zu einem großen Teil auf kontinuierlich betriebenen Filtern durchgeführt, bei denen die Flüssigkeit vom Feststoff durch Kuchenfiltration sehr vollständig getrennt werden kann. Diese Filter sind durch Filtrationszykluszeiten zwischen 10 und 100 Sekunden charakterisierbar. Bei der Auslegung, Simulation oder Optimierung dieser Filter ist der Prozessingenieur auf genaue Daten zur Filtrierbarkeit der Suspensionen angewiesen. Die Theorie des durchströmten Filterkuchens ist sehr perfektioniert. Weniger Beachtung hatte dagegen der Einfluss des Filtermittels auf den Gesamtwiderstand bei der Filtration gefunden. Dies lag in der Vergangenheit teilweise daran, dass die genaue Bestimmung des Filtermittelwiderstandes RM – die zusammen mit der Bestimmung des Filterkuchenwiderstandes rK erfolgt – schwierig war. In den letzten Jahren wurden Filter für sehr hohe spezifische Durchsätze gebaut, bei denen dieser Wert von erheblichem Einfluss ist. Ziel der Arbeit war es, mehr Wissen und genaue Daten zum Filtermittelwiderstand zu erarbeiten. Es wurden umfangreiche Messungen des Filtermittelwiderstandes mit unterschiedlichen Filtermitteln und verschiedenen Produkten in wässrigen Suspensionen durchgeführt. Zur genauen Bestimmung des Filtermittelwiderstandes wurde ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Versuchsaufbau mit rechnergestützter Datenerfassung entwickelt. Filtratanfall und Druckverlauf wurden bei den Versuchen festgehalten. Bei der Auswertung der Filterkurven wurden eindeutige Kriterien zur Bestimmung von Anfang und Ende der Filtration eingeführt. Dies erfolgte durch die Kombination von zwei bekannten und erprobten Auswerteverfahren zur Bestimmung der Filtrationseigenschaften. Diese Kombination ergab mit der verbesserten Versuchstechnik neben der Eindeutigkeit auch den Vorteil der exakten Erfassung des Filtratanfalls bei beginnender Sättigung, die ebenfalls zur erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung der Filterwiderstände beitrug. Der Filtermittelwiderstand kann bei kontinuierlich betriebenen Filtern am Ende des Filtrationszyklus 25 % des Gesamtwiderstandes und mehr erreichen. Bei leicht filtrierbaren Feststoffen werden trotz offener Filtergewebe auch höhere Anteile am Gesamtwiderstand gefunden. Der Filtermittelwiderstand ist bei kontinuierlichen Filtern ein wesentlicher Faktor bei der Filterauslegung. Durch Variation der Parameter der Filtergleichung wie Feststoffgehalt, Druck usf. wurden die Einflüsse wichtiger Betriebsparameter auf tendenzielle Änderungen der Widerstände untersucht. Bei diesen Messungen wurde festgestellt, dass der Durchflusswiderstand des Filtermittels bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten nicht konstant ist. Die Einführung einer Reynoldszahl, die auf den nominellen Porendurchmesser bezogen ist, erlaubt es Strömungszustände zu definieren, ab denen der Durchflusswiderstand nicht mehr konstant ist. Mit den bekannten Gesetzten der Durchströmung poröser Haufwerke lassen sich Widerstandszahlen, analog zur Rohrreibungszahl, und daraus Druckverluste errechnen. Letztere sind mit den gemessenen Druckverlusten aus der Bestimmung der Filtermittelleerwiderstände gut korreliert. Mechanische Vorgänge bei der Partikelabscheidung an Filtermitteln werden anhand eines Kugel-Loch-Modells diskutiert. Experimentelle Ergebnisse stützen Schlussfolgerungen, die aufgrund dieses Modells gezogen wurden. Dazu wurden Überlegungen möglich, welche einige Tendenzen bei der Variation der Porengrößen bei unterschiedlichen Filtermedien erklären können.
  • Solid liquid separation in the chemical, pharmaceutical and processing industries is mainly done on continuously operating filters. On these filters the cake building fil-tration results in almost perfect solid-liquid separation. Typically these filters show filtration times from 10 to 100 seconds. For sizing, simulating and optimisation of such filters exact data characterizing the filterability of the suspension are essential for the process engineer. The theory of cake filtration is well established. The influence of the filter media on the entire fil-tration resistance however has widely been neglected. The neglecting is up to now mainly caused by the difficulty to determine the exact value of the filtration resis-tance RM, as it is not independently measurable of the filter cake resistance rK. The aim of the work was acquire more knowledge of filter media resistance and to obtain exact data about it. Extensive measurements of filter media resistance with different filter media and various solids in aqueous suspensions have been done. For the exact determination of the filter media resistance, a new data collection system was developed that was able to measure the weight of the filtrate every 0.1 second. In addition the corresponding pressure curves were recorded. The evaluation of the data was realized by using a combination of two well-known and proven evaluation methods. It was possible to determine new, unique criteria for the start and the end of the filtration process. The very precise and frequent data collection enabled the exact determination of the filtrate’s weight at the time when saturation commenced. This led to very improved accuracies in the determination of filter media resistances and filter cake resistances. The filter media resistance RM on continuous filters is typically around 25 % of the total resistance. The ratio of filter media resistance of very open weaves for very easily filterable solids can even be much higher. Filter media resistance has a great influence on continuous filter dimensioning. The influences of various parameters as solid content, pressure difference etc. on the filter media resistances have been investigated. It was detected that the filter media resistance at high flow velocities are not constant when clear fluids were filtered at a high velocity. A Reynolds´ number - based on the nominal pore diameter – permits the determina-tion of the transition from constant filter media resistance to increasing filter media resistance with a rising flow velocity. This Reynolds´ number was used as the calcu-lation base of the head losses of flows through porous filter cakes. Measured and calculated head losses correlated very well.

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Metadaten
Author:Josef W. Tichy
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-20866
ISBN:978-3-18-387703-4
Advisor:Siegfried Ripperger
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2007
Year of Publication:2007
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2007/02/23
Tag:Filterauslegung ; Filterkuchenwiderstand ; Filtermittelwiderstand ; Filterversuche ; Simulationsdaten
Filtration ; cake filtration ; filter media resistance ; interference resistance
GND-Keyword:Energieeinsparung; Experimentauswertung ; Filtration ; Filtrierbarkeit ; Messtechnik
Source: Fortschritt-Berichte VDI : Reihe 3, Verfahrenstechnik ; 877 (2007)
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $