Fest-Flüssig-Trennung & Filtermittel. 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 Auslegung 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 bisher der Einfluss des Filtermittels auf den Gesamtwiderstand bei der Filtration gefunden.

Dies lag in der Vergangenheit 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 relativ hohe Filtermittelwiderstände festgestellt wurden. Mit handelsüblichen, guten Messgeräten und neuen Auswertemethoden wurde eine genaue und sichere Bestimmung des Filtermittelwiderstandes ausgearbeitet, mit der eine optimale Filtermittelauswahl möglich wird.

Zur Bestimmung der Filtrierbarkeit von Suspensionen sollte die VDI-Richtlinie 2762 herangezogen werden. Dort ist ein geeignetes Laborfilter mit 20 cm2 Filterfläche zur Durchführung der Messungen beschrieben. Eine ausführliche Beschreibung zur Versuchsdurchführung sowie zu den erwähnten neuen und genauen Auswertemethoden ist in der Fachzeitschrift CITplus, Ausgabe 10/2005, S. 62/63, im GIT Verlag, erschienen. Diese VDI-Richtlinie gibt auch Hinweise für die Bestimmung des Filtermittelwiderstandes.

Der genannte Artikel zeigt, dass die genaue Bestimmung des Filtrationsbeginns mit einem neuen Verfahren Schätzarbeit vermeidet. Die Auswertung geschieht auf Basis der bewährten t/V-V-Darstellung (Standardmethode) und der dt/dV-V-Darstellung (differentielle Methode). Die Kombination beider Kurven zur Festlegung eines eindeutigen Anfangskriteriums für den Startzeitpunkt ist neu. Sie bietet einen eindeutiger Trigger für den Start der Filtration. In beiden Auswertungen wird aus der linearen Regression der Messdaten der jeweilige Achsabschnitt der Ordinate bestimmt. In der t/VV- Darstellung ist dieser Wert recht empfindlich gegen eine Verschiebung des Beginns der Auswertung. Bereits bei geringen Unterschieden im Startzeitpunkt werden stärkere Unterschiede im Ordinatenabschnitt, der dem Filtermittelwiderstand proportional ist, und in der Steigung, die dem Filterkuchenwiderstand proportional ist, gemessen. Dagegen ist die dt/dV-V-Darstellung weniger empfindlich gegen Verschiebungen des Anfangszeitpunktes der Messauswertung. Daher wird der Startzeitpunkt so bestimmt, dass beide Kurvendarstellungen in der linearen Regression gleiche Achsabschnitte zeigen Filtratvolumen.

Die in der VDI-Richtlinie 2762 genannten Richtwerte für Filtermittelwiderstände sind für Filtrationen mit hohen Durchsätzen nicht immer zutreffend. In ausführlichen Versuchsreihen mit mehreren hundert Versuchen mit unterschiedlich feinen bzw. groben Geweben wurden einige neue Tatsachen festgestellt. Die Versuche wurden mit unterschiedlichen Produkten durchgeführt und teilweise mit den Werten der entsprechenden Betriebsfilter verglichen. Dabei wurden sowohl Vakuumfilter als auch Druckfilter berücksichtigt. Die beobachteten Druckstufen erstreckten sich daher von rund -0,5 bar für Vakuumfilter bis zu 4 bar für Druckfilter. Höhere Drücke wurden nicht betrachtet, sie treten typischerweise bei Filtern mit feinen Feststoffen auf, bei denen sehr hohe Durchsatzleistungen nicht gefahren werden können.

Die Angaben der Hersteller zur Luftdurchlässigkeit der Gewebe können mit einer guten Genauigkeit dazu verwendet werden, den Filtermittelleerwiderstand, also den Widerstand gegen den Durchfluss völlig feststofffreier Flüssigkeit, zu errechnen. Für diese Umrechnung werden die bekannten Gesetze der Strömungstechnik verwendet, wobei die unterschiedlichen Viskositäten der Luft (aus der Bestimmung der Luftdurchlässigkeit) und die des Filtrats verwendet werden müssen. Allerdings ist dieser Filtermittelleerwiderstand erheblich kleiner als der Filtermittelwiderstand, der bei der Filtration von feststoffbehafteter Flüssigkeit auftritt.

Es wurde nachgewiesen, dass die Strömung durch Filtergewebe mit Porenweiten von mehr als 20 μm meist nicht mehr laminar ist, sondern dass dann eine Übergangsströmung vorliegt. Bei dieser Übergangsströmung nimmt der spezifische Filtermittelwiderstand bei der Durchströmung der Gewebe mit reiner, partikelfreier Flüssigkeit mit steigender Durchflussgeschwindigkeit zu. Die hier zugrunde gelegten Messungen wurden bei Durchflussgeschwindigkeiten durchgeführt, die bei industriellen Filtern für die entsprechenden Partikelgrößen und Druckstufen auch erreicht werden. Auch die erzielten Messwerte wurden nach Möglichkeit mit realen Betriebsfiltern verglichen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der Messergebnisse mit den Werten aus Betriebsdaten festgestellt.

Beim Filtermittelwiderstand RM sind zwei Werte von Bedeutung:

• der bei der Kuchenfiltration auftretende Filtermittelwiderstand RM und

• der Filtermittelleerwiderstand RM0 beim Durchströmen mit feststofffreiem Fluid

Der Widerstand RM tritt schon bei sehr geringen Filterkuchendicken auf, er wird deshalb auch als Anfangswiderstand bezeichnet. RM ist stets größer als RM0. Basierend auf den theoretischen und praktischen Untersuchungen wird ein zusätzlicher Widerstand eingeführt, der Interferenzwiderstand RMI genannt wird. Damit ist angedeutet, dass dieser Widerstandsanteil die Wechselwirkungen zwischen Filtermittel, Fluid und Feststoffen betrifft.

Es gilt: RM = RM0 + RMI mit dem Interferenzquotienten KI = RM RM0

Der Filtermittelwiderstand RM ist bis zu zwei Größenordnungen größer als der Filtermittelleerwiderstand RM0 – abhängig von Gewebeart und Feststoff, d.h. der Interferenzquotient KI kann Werte von 100 überschreiten.  Grobe Gewebe mit Maschenweiten bis zu 200 μm haben hohe Interferenzfaktoren, es wurden Spitzenwerte von 300 bis 400 gemessen. Feine Gewebe mit Maschenweiten bis hinunter in den Bereich von wenigen Mikrometern haben niedrige Interferenzfaktoren bis hinunter zu KI = 7 die beispielsweise für feine Zellulosefaser gemessen wurden. In erster Näherung kann man für die Größe des Filtermittelwiderstandes RM bei industriellen Filtrationen den 20-fachen bis 40-fachen Wert des Filtermittelleerwiderstandes RM0 ansetzen (KI ist 20 bis 40). Genaue Werte sind nur aus repräsentativen Filterversuchen erhältlich. Bezogen auf den Gesamtwiderstand wird der Filtermittelwiderstand RM bei den genannten Filteraufgaben rund 25 % ausmachen, bei Partikelgrößen über 100 μm kann dieser Wert auf bis zu 50 % anwachsen.

Dr.-Ing. Josef W. Tichy, früher Leiter F&E im Bereich Filtertechnologie bei BHS-Sonthofen

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