KIT: Maximale Abreinigung bei minimalem Filtrateinsatz

Düren  - In zahlreichen industriellen Verfahren ist kuchenbildende Fest-Flüssig-Trennung etablierter Standard. Beim Rückspülen erweisen sich in der Praxis oftmals dünne Filterkuchen, die bei der Filtration von Suspensionen mit geringer Konzentration feinkörniger Partikel entstehen, als problematisch. Durch ihre starke Anhaftung auf dem Filtermedium ist eine vollständige Regeneration schwierig.

Patrick Morsch, Doktorand am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), untersucht, welche Parameter die Effizienz dieser Prozesse nachhaltig verbessern können. Eine Schlüsselrolle bei seinen Ergebnissen spielen Optimierte Tressengewebe (OT) aus Edelstahl von GKD – Gebr. Kufferath AG. Im Gespräch erläutert er das Vorgehen und den Stand der bisherigen Erkenntnisse.

Frage: Welche Bedeutung hat der rückstandslose Filterkuchenabwurf in industriellen Produktionsprozessen mit feinkörnigen Partikeln?

Patrick Morsch: Kleine Partikel bilden sehr kleine Porendurchmesser im Filterkuchen, sodass es schon bei geringer Kuchendicke zu einem hohen Strömungswiderstand kommt. Der dadurch schnell absinkende Filtratstrom  führt zu erheblichem Effizienzverlust. Durch Strömungsumkehr gilt es dann, den Kuchen zu entfernen. Wenn er jedoch nicht vollständig abfällt, bleiben Fragmente mit erhöhtem Strömungswiderstand haften und die Rückspülung zeigt keine Wirkung. Die Folge ist, dass das benötigte Rückspülvolumen steigt und die Prozessleistung sinkt.
 
Frage: In welchen Anwendungen ist das eine typische Herausforderung?

Patrick Morsch: Bespielhaft dafür stehen die Algenfiltration für die Herstellung von Biodiesel, Anodenschlamm in der Elektrolyse, Abtrennung eines Katalysators in pharmazeutischen Verfahren oder die Reinigung von Prozessströmen in der petrochemischen Industrie. Bei den genannten Beispielen sind die in einer Suspension dispergierten Partikel kleiner als 20 μm. Klassische Applikationen sind Titanoxid, Feinchemikalien, Edelmetallkatalysatoren, Speiseöle und -fette sowie Farben und Pigmente. Grundsätzlich sind Durchfluss und Rückspülbarkeit aber in jeder Fest-Flüssig-Trennung Schlüsselfaktoren für die Prozesseffizienz.

Frage: Wie lautete die Zielsetzung der Untersuchungen?

Patrick Morsch: Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Definition der Prozessparameter für einen optimalen Kuchenabwurf bei möglichst geringem Filtrateinsatz. Dadurch sollen Anwender die Möglichkeit erhalten, ohne großen messtechnischen Aufwand das benötigte Rückspülvolumen für einen vollständigen Kuchenabwurf zu bestimmen. Angesichts der Vielzahl an Webarten, Partikelsystemen und unterschiedlichen Ausführungen von Rückspülfiltrationen galt es zunächst, Kriterien für einen guten oder schlechten Abwurf festzulegen. Ein Qualifizierungsmerkmal war die für ein gutes Rückspülergebnis erforderliche Literzahl an Filtrat pro Quadratmeter Filterfläche. Dieser Parameter wurde mit dem Qualifizierungsmerkmal der  belegten Fläche anhand von Bildauswertungen gekoppelt. Sie erfassten die Abnahme der vom Filterkuchen belegten Fläche und somit den Regenerationsfortschritt zeitmäßig – in Abhängigkeit von Gewebetyp, Partikelsystem und Kuchendicke.

Frage: Wie wurde das experimentell umgesetzt?

Patrick Morsch: Die Experimente erfolgten in flüssiger Umgebung mit Blattund Kerzenfiltern im Labormaßstab und anschließend auf einem großen,mindustriell verwendeten Pilotfilter mit analogen Prozessparametern. Fünf verschiedene, industriell eingesetzte Gewebetypen – Atlas-, Tressen- und Köpergewebe – wurden untersucht. Im Blattfilter kamen aus Kunststoff ein 11 μm und ein 14 μm Köpergewebe sowie ein Tressengewebe zum Einsatz. Beim Laborkerzenfilter wurde dieses Spektrum noch deutlich ausgeweitet. Bei den Metallgeweben haben wir Optimierte Tressen (OT 10 und OT 20) von GKD sowie zusätzlich ein 25 μm Porometric-Gewebe getestet.

Die Auswahl erfolgte anhand der Maschenweite und Durchflussmenge, da Tressen- und KöpergewebeTressen- und Köpergewebe bei gleicher Maschenweite webartbedingt starke Unterschiede in der Porosität zeigen. Bei der Auswahl der Partikel haben wir nicht nur unterschiedliche Materialien gewählt, sondern auch Partikelform und -größenverteilung gezielt variiert. Neben Siliziumdioxid- und Calciumcarbonat-Partikeln wurde deshalb unter anderem auch Aluminiumoxid eingesetzt. Der Rückspüldruck reichte von 0,1 bis 2 bar und entsprach damit den üblichen Größen der Rückspülung in Flüssigphasen. Die Filterkuchen waren zwischen 0,3 und 3,3 Millimeter hoch.

Frage: Was haben die Untersuchungen gezeigt?

Patrick Morsch: An der Blattfilteranlage zeigte sich bereits, dass die Konzentration der Suspension für Volumenkonzentrationen < 1 Volumenprozent ohne Bedeutung für das Rückspülergebnis ist. Zugleich wurde deutlich, dass bei den Geweben Webart und Stabilität der Werkstoffe eine entscheidende Rolle spielen. Für eine effiziente Rückspülung ist eine hohe Porosität der Medien essenziell. Atlasgewebe und Köpergewebe haben jedoch bindungsbedingt eine geringe Porosität. Tressengewebe aus Kunststoff und Metall bieten die für einen hohen Durchfluss begünstigte Porosität und dadurch auch kaum Kontaktstellen, an denen der Filterkuchen anhaften kann. Diese geringere Adhäsion bedeutet, dass weniger Rückspülvolumen benötigt wird.

Frage: Wo unterscheiden sich Kunststoff- und Metallgewebe beim Rückspülergebnis?

Patrick Morsch: Frappierende Unterschiede zeigten sich im Zusammenhang mit der Stabilität des Werkstoffs und dem Rückspülergebnis. Die Maschenweiten von Kunststofftressen sind fertigungsbedingt limitiert. Maschen < 10 μm können nur durch Kalandrierung erreicht werden. Dadurch wird das Gewebe dünner und weniger stabil – mit der Folge, dass es bei der Rückspülung ausbeult. Dadurch steigt das Risiko, dass ein dünner Kuchen reißt und sich nur teilweise ablöst.

Zudem erhöht sich durch das Ausbeulen das benötigte Rückspülvolumen bei Kunststoffgeweben gegenüber starren Geweben um etwas mehr als das Doppelte. Metallgewebe mit analoger Feinheit beulen durch ihre werkstoffbedingte Stabilität nicht aus. Entsprechend gut schnitten die Optimierten Tressen von GKD im Test ab: Bei den OT 10 betrug das Rückspülvolumen nur 2,5 l/qm, bei den OT 20 sogar nur 0,8 l/qm. Dank ihrer hohen Porosität genügt für einen vollständigen Abwurf zudem ein dünnerer Kuchen. Der schnellere Kuchenaufbau steigert zum Beispiel bei der intermittierenden Kuchenfiltration die Anzahl der Reinigungszyklen – man erzielt einen sehr hohen Level an Gesamtfiltrat – und verbessert so nochmals die Prozesseffizienz. Damit überzeugten die OT in puncto Rückspülvolumen und Qualität der Abreinigung von den fünf getesteten Geweben am meisten.

Frage: Wie bewährte sich das andere Metallgewebe im Test?

Patrick Morsch: Das Porometric-Gewebe von GKD lief bei diesen Versuchen ein bisschen außer Konkurrenz, weil es sich dabei um einen noch recht neuen Gewebetyp handelt, den wir bei der ursprünglichen Konzeption der Versuche nicht eingeplant hatten. So waren wir auch skeptisch, ob die Plateaus der mäanderartigen Oberflächenstruktur nicht zu stark haftende Kontaktflächen darstellen.

Bei der Filtration war jedoch die extreme Porosität dieses dreidimensionalen Gewebetyps die eigentliche Herausforderung: Der Anfangsvolumenstrom war so groß, dass unsere Messung wegen der Düse im Durchflussmesser zunächst nicht funktionierte. Erst nach entsprechenden Anpassungen konnten wir die benötigte Kuchendicke aufbauen und rückspülen. Durch die sehr hohe Porosität war neben den guten Filtrationseigenschaften auch eine sehr gute Regenerationseigenschaft festzustellen. Dabei gilt es anzumerken, dass die Abwurfrichtung des Filterkuchens parallel zur Mäanderform des Gewebes erfolgte, was ich bei diesem Gewebe auch dem Anwender empfehlen würde.

Frage: Wie lautet das Fazit Ihrer Untersuchungen?

Patrick Morsch: Gerade bei feinkörnigen, dünnen Filterkuchen spielt die Stabilität des Filtermedium eine entscheidende Rolle für die Qualität des Kuchenabwurfs bei möglichst geringem Filtrateinsatz. Die Feinheit von Kunststoffgewebe ist webtechnisch begrenzt. Feinere Öffnungen sind nur durch Kalandrieren erzielbar. Bei Vorversuchen zeigte ein getestetes 5-6 μm Satingewebe aus Kunststoff extrem hohen Strömungswiderstand, allerdings werden wir noch einige weitere testen. Das Dehnungsverhalten von Kunststoff kann das Rückspülvolumen um bis zu 100 Prozent vergrößern.

Metallgewebe ermöglicht durch seine werkstoffbedingte Festigkeit eine höhere Stabilität der Drähte und damit feinere Gewebe mit höherer Porosität. Dadurch braucht man in der Regel für einen vollständigen Abwurf auch nur einen dünneren Filterkuchen. Die Folge sind verkürzte Reinigungszyklen und verbesserte Prozesseffizienz. Bei den untersuchten Geweben zeigten deshalb Optimierte Tressen und Porometric-Gewebe aus Edelstahl die besten Ergebnisse hinsichtlich Porosität, Reduzierung des Rückspülvolumens und Qualität der Abreinigung. Für Porometric kann ich diese Aussage aktuell allerdings nur qualitativ bestätigen. Für weitere Tests wird Porometric noch im Laborfilter eingebaut, um wie bei den anderen Geweben auch quantitative Ergebnisse zu erhalten.


Über GKD – GEBR. KUFFERATH AG

Die GKD – Gebr. Kufferath AG ist als inhabergeführte technische Weberei Weltmarktführer für Lösungen aus Metallgewebe, Kunststoffgewebe und Spiralgeflecht. Vier eigenständige Geschäftsbereiche bündeln ihre Kompetenzen unter einem Dach: Industriegewebe (technische Gewebe und Filterlösungen), Prozessbänder (Bänder aus Gewebe oder Spiralen), Architekturgewebe (Fassaden, Innenausbau und Sicherheitssysteme aus Metallgewebe) und Mediamesh® (Transparente Medienfassaden).
Mit dem Stammsitz in Deutschland, fünf weiteren Werken in den USA, Südafrika, China, Indien und Chile sowie Niederlassungen in Frankreich, Spanien,  Dubai und weltweiten Vertretungen ist GKD überall auf dem Globus marktnah vertreten.

Quelle und Bilder: GKD – GEBR. KUFFERATH AG