Verbundvorhaben: Erarbeitung von Kriterien zur Auswahl und … · 2015-11-13 · Die mechanische...

Verbundvorhaben: Erarbeitung

von Kriterien zur Auswahl und

Dimensionierung moderner

Entwässerungsverfahren für

feinkörnige industrielle und

kommunale Abwasserschlämme

Dezember 2001

Projektleiter : Prof. Dr.-Ing. Werner Stahl

Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Karsten Weber

Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik

Universität Karlsruhe (TH)

76128 Karlsruhe

Russland ist ein Rätsel innerhalb eines Geheimnisses,

umgeben von einem Mysterium.

Sir Winston Spencer Churchill

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Teilziel 1: Ausarbeitung einer gemeinsamen Methodik zur Bestimmung

relevanter Filtrationsparameter 3

2.1 Einleitung 3

2.2 Einflussgrößen auf die Auswahl von FFT-Geräten 4

2.2.1 Zulaufeigenschaften 5

2.2.1.1 Feststoff 5

2.2.1.2 Flüssigkeit 6

2.2.1.3 Suspension 8

2.2.2 Produkteigenschaften 9

2.2.3 Gerätemerkmale 10

2.2.4 Prozessanforderungen und Randbedingungen 13

2.3 Fest-Flüssig-Trenngeräte 15

2.3.1 Schwerkrafteindicker und Klärer 16

2.3.2 Hydrozyklone 17

2.3.3 Zentrifugen 18

2.3.3.1 Sedimentierende Zentrifugen 18

2.3.3.2 Filtrierende Zentrifugen 20

2.3.4 Filter 24

2.3.4.1 Vakuumfilter 24

2.3.4.2 Druckfilter 28

2.3.4.3 Pressfilter 32

0 Bild 2. 11: Wringpresse SICO-W.A.P.

Tiefenfilter 35

2.3.4.5 Membranfilter 36

2.3.5 Kraftfeldunterstützte Trenngeräte 38

2.3.5.1 Magnetfeld 38

2.3.5.2 Elektrisches Feld 38

2.3.5.3 Ultraschall 38

2.4 Ansätze für die Apparateauswahl in der Fest-Flüssig-Trennung 39

2.4.1 Allgemeine Informationen und Tabellen ohne „Ranking“ 40

2.4.2 Vergleichende Tabellen und Ansätze mit „Ranking“ 43

2.4.3 Logische Diagramme und Entscheidungsbäume 46

2.4.4 Expertensysteme 50

2.4.5 Schlussfolgerungen 51

2 Inhaltsverzeichnis

2.5 Zur Apparateauswahl bei der Entwässerung von Schlämmen 53

2.5.1 Beschreibung des Trennproblems 54

2.5.1.1 Schlammeigenschaften 55

2.5.1.2 Trennziel und Produkteigenschaften 55

2.5.1.3 Prozessanforderungen und Randbedingungen 56

2.5.2 Vorauswahl 56

2.5.2.1 Praktische Durchführung 57

2.5.2.2 Schlussfolgerungen 61

2.5.3 Endauswahl 62

2.5.3.1 Nutzwertanalyse 62

2.5.3.2 Weiterführende Versuche 69

2.6 Zusammenfassung 75

3 Teilziel 2: Entwurf, Herstellung und Versendung der Laborfilterapparatur

„Filtratest“ in Zusammenarbeit mit Bokela. Inbetriebnahme und Testbetrieb

der Querstromfilterapparatur von NIICHIMMASH 77

3.1 Einleitung 77

3.2 Laborfilterapparatur „Filtratest 77

3.3 Querstromfiltrationsapparatur 80

3.3.1 Anlagenaufbau 80

3.3.2 Experimentelle Ergebnisse an der Querstromfiltrationsapparatur 86

3.3.2.1 Querstromfiltrationsversuche mit Karlsruher Leitungswasser 87

3.3.2.2 Querstromfiltrationsversuche mit Kalksteinsuspension 90

3.3.3 Fazit der Querstromfiltrationsversuche 101

4 Teilziel 3: Organisation und Durchführung eines Workshops zur Abwasser- und

Schlammbehandlung in Moskau 102

5 Symbolverzeichnis 106

6 Literaturverzeichnis 108

Anhang 111

A1 Laborversuche 111

A2 Tafeln und Tabellen zur Apparateauswahl 114

1 Einleitung

Die Abtrennung und möglichst weitgehende mechanische Entwässerung feinstkörniger

Schlämme, insbesondere im industriellen und kommunalen Abwasserbereich, ist sowohl für

die Bundesrepublik Deutschland als auch für die Russische Föderation für die Reinhaltung

von Böden und Gewässern, die Verwertung und Rückgewinnung oder die sichere Deponie

abgetrennter Feststoffe von hoher Bedeutung.

Um diesen Prozessschritt möglichst energiesparend und effizient zu gestalten, werden

mechanische Trennverfahren auf der Basis von Filtration und Sedimentation bevorzugt. In

vielen Fällen, in denen aufgrund unzureichender mechanischer Trennung die geforderte

Produktfeuchte nicht erreicht werden kann, muss eine wesentlich energieintensivere

Nachentfeuchtung eingesetzt werden.

Der gegenwärtige Stand der modernen mechanischen Fest-Flüssig-Trenntechnik für schwer

abtrennbare Feststoffe ist gekennzeichnet durch Maßnahmen zur Verbesserung der

Suspensionskonditionierung (Koagulation, Flockulation), durch die Anwendung hoher

Entfeuchtungspotentiale (Gasdruck, mechanischer Pressdruck, Zentrifugaldruck) und durch

die Entwicklung neuartiger Verfahren.

Hierbei ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass in sehr vielen Fällen bereits existierende

konventionelle Trennprozesse nur unbefriedigend arbeiten und von der physikalisch

vorhandenen Möglichkeit her mit oft nur relativ geringem Aufwand erheblich verbessert

werden könnten.

Um im Rahmen dieses Projektes den neuesten Stand der technischen und wissenschaftlichen

Entwicklungen auf dem Gebiet der Fest-Flüssig-Trennung der russischen und deutschen Seite

nutzbar zu machen, haben sich die NIICHIMMASH AG aus Moskau (im Weitern

NIICHIMMASH genannt), die Firma Bokela Ingenieurgesellschaft für Verfahrenstechnik

mbH aus Karlsruhe (im Weiteren Bokela genannt) und das Institut für Mechanische

Verfahrenstechnik und Mechanik der Universität Karlsruhe (im Weiteren Institut MVM

genannt) Kooperation verständigt. Dieses vorliegende Projekt sollte hierbei als Start einer

langfristigen Kooperation dienen.

Im Rahmen dieses auf 18 Monate angelegten Vorhabens galt es folgende Zielsetzungen zu

erfüllen:

§ Erarbeitung der Struktur einer gemeinsamen Methodik zur Auswahl und Dimensionierung

von Fest-Flüssig-Trennapparaten

§ Gegenseitiger Austausch und Betrieb fortschrittlicher Labortechnik zur Gewinnung von

Materialdaten für die Auswahl und Dimensionierung von

Schlammentwässerungsverfahren

2 1 Einleitung

§ Identifizierung von Brennpunkten für Trennprobleme in Russland und Ausarbeitung einer

Systematik für die Projektanalyse bzw. Projektplanung

§ Definition konkreter weiterführender Projekte zur Lösung von spezifischen

Trennaufgaben in Russland

Basierend auf diesen Punkten ergaben sich für das Institut MVM folgende zu bearbeitende

Teilziele, auf die im Rahmen dieses Abschlussberichtes näher eingegangen wird:

Teilziel 1: Ausarbeitung einer gemeinsamen Methodik zur Bestimmung relevanter

Filtrationsparameter

Teilziel 2: Entwurf, Herstellung und Versendung der Laborfilterapparatur Filtratest in

Zusammenarbeit mit Bokela. Inbetriebnahme und Testbetrieb der

Querstromfilterapparatur von NIICHIMMASH

Teilziel 3: Organisation und Durchführung eines Workshops zur Abwasser- und

Schlammbehandlung in Moskau.

2 Teilziel 1: Ausarbeitung einer gemeinsamen Methodik zur Bestimmung relevanter Filtrationsparameter

2.1 Einleitung

Die mechanische Fest-Flüssig-Trennung (FFT) ist eine verfahrenstechnische Grundoperation

von großer industrieller Bedeutung. Die fast unüberschaubare Vielzahl von Trenngeräten und

den Trennprozess beeinflussenden Faktoren machen die richtige Auswahl eines Gerätes zu

einer schwierigen Herausforderung.

Dabei ist festzustellen, dass im Gegensatz z.B. zu den thermischen Trennverfahren, keine

allgemeingültigen Standardansätze für die Apparateauswahl und Dimensionierung vorhanden

sind [Wakeman und Tarleton]. Dies liegt zum einen daran, dass die Stoffsysteme und

Trennvorgänge komplex sind und nur eingeschränkt mathematisch beschrieben werden

können [Tiller]. Zum anderen ähnelt die Auswahl von Fest-Flüssig-Trenngeräten häufig eher

einer Kunst als einer Wissenschaft [Purchas], die nur von wenigen Spezialisten und anhand

von meist firmeninternen, oftmals geheimgehaltenen Ansätzen durchgeführt wird. Solche als

Heurismen bezeichneten Ansätze beruhen meist auf Erfahrung und dem Vergleich mit

vorangegangenen, ähnlich gelagerten Trennproblemen. Trotz Anwendung dieser Methoden

kann in vielen Fällen nicht auf aufwendige Pilotversuche verzichtet werden.

Zusätzlich wird die korrekte Auswahl eines Trenngerätes dadurch erschwert, dass einerseits

Hersteller versuchen, ihre Produkte beim Kunden als die einzig richtige Alternative

anzubieten. Andererseits bevorzugen Anwender Geräte, mit denen sie bereits Erfahrung

haben und geben sich deshalb häufig mit der verfahrenstechnisch zweitbesten Lösung

zufrieden.

Die Auswahl des richtigen Trenngerätes bzw. der richtigen Kombination von Trenngeräten

setzt die Kenntnis möglichst aller Größen und Faktoren voraus, die ein Trennproblem

charakterisieren. Hierzu zählen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der zu

verarbeitenden Stoffe, die gewünschten Produkteigenschaften sowie Prozessanforderungen

und Randbedingungen. Die Verknüpfung dieser Größen mit den Leistungsmerkmalen und

Spezifikationen der erhältlichen Trenngeräte, welche ebenfalls bekannt sein müssen, ist die

Aufgabe einer Auswahlmethodik. Sie soll dem Ingenieur als Werkzeug dienen, um trotz der

erwähnten Schwierigkeiten die günstigsten Geräte identifizieren bzw. ungeeignete Geräte

ausschließen zu können.

Ziel der vorliegenden Ausführungen ist es, einen Beitrag zur Erleichterung und Strukturierung

der Apparateauswahl zu leisten. Hierzu werden zunächst die Einflussgrößen auf die Auswahl

4 2.2 Einflussgrößen auf die Auswahl von FFT-Geräten Teilziel 1

von Fest-Flüssig-Trenngeräten herausgearbeitet. Anschließend wird ein Überblick über die

wichtigsten Apparatetypen und deren Funktionsweise gegeben. Vorhandene Beiträge zur

Apparateauswahl, die allesamt wertvolle Informationen enthalten, werden beschrieben und

kategorisiert. Um speziell auf die Trennung feinstkörniger Suspensionen einzugehen, werden

die Analyse eines Trennproblems und die Apparateauswahl am Beispiel der Klärschlamm-

entwässerung konkret durchgeführt.

2.2 Einflussgrößen auf die Auswahl von FFT-Geräten

Die Auswahl eines für eine gegebene Fest-Flüssig-Trennaufgabe geeigneten Gerätes hängt

von einer Vielzahl von verschiedenen Faktoren ab. Als erstes sind hier die physikalischen und

chemischen Eigenschaften der zu trennenden Suspension zu nennen. Sie haben

entscheidenden Einfluss auf die Wahl des Trennprinzips (z.B. Filtration, Sedimentation oder

auch Magnetabscheidung) und des Apparatetyps. Zum anderen bestimmt das Ziel der

Operation, d.h. die gewünschten Eigenschaften der Endprodukte darüber, welches Gerät

verwendet werden kann. Zu diesen, die Fest-Flüssig-Trennung direkt betreffenden Faktoren,

kommen übergeordnete Faktoren wie Prozessanforderungen und Wirtschaftlichkeits-

überlegungen hinzu (siehe Bild 2.1).

Bild 2.1: Einflussgrößen auf die Apparateauswahl

In diesem Kapitel wird eine Übersicht über sämtliche, die Apparateauswahl beeinflussenden

Faktoren gegeben. Es wird erläutert, warum die genannten Einflussgrößen von Bedeutung

Teilziel 1 2.2.1 Zulaufeigenschaften 5

sind und wie sie sich auswirken. Falls Einflussmöglichkeiten auf gewisse Parameter bestehen

(z.B. Viskositätserniedrigung durch Temperaturerhöhung etc.) wird darauf hingewiesen.

Labortests und Messmethoden für die Bestimmung von Suspensionsparametern sind im

Anhang (A1) dargestellt.

Jedes der nachfolgend genannten Kriterien kann zum Ausschluss eines ins Auge gefassten

Trenngerätes führen. Die folgende Aufzählung stellt daher eine Checkliste für die

Apparateauswahl dar und bildet die Basis für eine möglichst lückenlose Auswahlmethodik.

2.2.1 Zulaufeigenschaften

2.2.1.1 Feststoff

§ Chemische Zusammensetzung: Die Kenntnis der chemischen Zusammensetzung des

Feststoffes ist wichtig, um mögliche chemische Reaktionen (z.B. bei Zugabe von

Flockungsmitteln, Änderung des pH-Wertes, des Druckes oder der Temperatur) und damit

verbundene Änderungen der physikalischen Eigenschaften vorhersagen zu können. Die

genaue Bestimmung aller in einer Suspension enthaltenen Feststoffe ist jedoch oft nicht

möglich.

§ Partikelgrößenverteilung: Größe und Größenverteilung der suspendierten Partikeln

haben einen sehr starken Einfluss auf das Sedimentations- und Filtrationsverhalten einer

Suspension sowie auf weitere Prozessaspekte (z.B. Filtertuchverstopfung,

Kuchenabnahme, Feststoffanteil im Filtrat, Klassiereffekte im Trog von Drehfiltern etc.).

Trenngeräte können jeweils nur in einen bestimmten Partikelgrößenbereich

verfahrenstechnisch sinnvoll bzw. wirtschaftlich arbeiten. Die Partikelgrößenverteilung

des Feststoffs ist eine der wichtigsten Suspensionseigenschaften für die Apparateauswahl.

§ Dichte: Die Dichtedifferenz zwischen Feststoff und Flüssigkeit ist entscheidend bei der

Sedimentation. Geringe Dichteunterschiede (z.B. zwischen Mikroorganismen und Wasser

in der Biotechnologie oder Abwasseraufbereitung) erfordern hohe

Zentrifugalbeschleunigungen oder machen sedimentierende Verfahren gänzlich

unmöglich.

§ Partikelform: Die Partikelform (z.B. faserförmig, körnig, plättchenförmig, nadelförmig)

hat Einfluss auf die Haufwerksporosität, die Kompressibilität des Filterkuchens bzw. des

Sediments und die spezifische Oberfläche und wirkt sich somit auch auf den

Durchströmungswiderstand aus. Partikelorientierung z.B. plättchenförmiger Partikeln am

Filtermedium kann die Entfeuchtung und Waschung solcher Haufwerke erschweren.

§ Festigkeit: Durch mechanische Beanspruchung (z.B. in Zentrifugen) können Partikeln

oder Agglomerate zerstört werden. Der Feinanteil erhöht sich, was sich negativ auf die

Entfeuchtungseigenschaften der Suspension und die Filtrat- bzw. Zentratklarheit auswirkt.


Unerwünschte Inhaltsstoffe von Partikeln (z.B. von Zellen) können ins Filtrat gelangen

(vgl. BSB-Wert-Erhöhung, Kap. 2.2).

§ Löslichkeit: Auskristallisierender Feststoff kann Rohrleitungen und Filtermedien

verstopfen. Bei der Waschung spielen die Löslichkeiten des Wertstoffes und der

Verunreinigungen in der Waschflüssigkeit eine wichtige Rolle.

§ Toxizität: Die Verarbeitung giftiger Stoffe erfordert meist gekapselte Geräteausführungen

und besondere Vorsichtsmaßnahmen z. B. hinsichtlich Abdichtung, Personalschutz etc.

§ Explosivität, Entflammbarkeit: Diese Feststoffeigenschaften haben einen großen

Einfluss auf die Geräteauswahl bzw. Ausführung. Sicherheitsmaßnahmen (z. B.

Kuchenentfeuchtung mit Inertgas, Fernhalten von Zündquellen, Kuchenaustrag unter

Schutzatmosphäre) und Werkstoffe müssen den jeweiligen Anforderungen angepasst sein.

§ Abrasivität, Korrosivität: Die abrasiven und korrosiven Eigenschaften des

abzutrennenden Feststoffes entscheiden mit über die zu verwendenden Werkstoffe

(Verfahrensraum, Dichtungen) und Schutzmaßnahmen (z.B. Schneckenpanzerung bei

Dekantern).

§ Magnetische Eigenschaften: Das Verhalten der Partikeln im Magnetfeld kann zur

Auswahl von magnetisch arbeitenden Trenngeräten führen (siehe Kap. 2.3.5.1).

§ Grenzflächeneigenschaften: Die Grenzflächenladung beeinflusst die Dispergierung der

Partikeln in der Suspension und ist entscheidend bei der Auswahl von

Flockungshilfsmitteln (isoelektrischer Punkt). Der Einsatz eines E-Feldes bei der

Trennung hängt ebenfalls davon ab. Durch gezielte Änderung der

Grenzflächeneigenschaften (hydrophil oder hydrophob) kann in manchen Fällen Flotation

als Trennprinzip in Frage kommen.

§ Wert: Ist der Feststoff das Zielprodukt der Trennung, kann der Einsatz von

Filterhilfsstoffen (z.B. Precoatschichten, Eisenchlorid, Kalk) unerwünscht sein, da eine

Verunreinigung erfolgt (z.B. bei Pharma- oder Lebensmittelprodukten). Der Wert des

Produktes ist wichtig für die Apparateauswahl. Je wertvoller das Produkt ist, desto besser

lassen sich aufwendige Trenngeräte rechtfertigen.

2.2.1.2 Flüssigkeit

§ Chemische Zusammensetzung: Die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit

beeinflusst die Trenneigenschaften der Suspension sowie die Werkstoffauswahl. Gute

elektrische Leitfähigkeit kann den Einsatz von E-Feld unterstützten Trenngeräten

begünstigen. Paramagnetismus begünstigt magnetisch arbeitende Abscheider. Bei

Anwesenheit von Lösungsmitteln ist zu prüfen, ob Dichtungen und andere flexible

Bauteile (z.B. Membranfilterplatten) chemisch beständig sind. Weitere ebenfalls von der

Teilziel 1 2.2.1 Zulaufeigenschaften 7

chemischen Zusammensetzung der Flüssigkeit beeinflusste Eigenschaften sind weiter

unten getrennt aufgezählt.

§ Viskosität: Die Viskosität der Flüssigkeit hat großen Einfluss auf die Filtrations– und

Sedimentationsrate. Niedrige Viskosität ist erwünscht und kann gegebenenfalls durch

Temperaturerhöhung erreicht werden.

§ Dichte: Dichtedifferenz zwischen Feststoff und Flüssigkeit (siehe Kap 2.2.1.1).

§ Temperatur: Die Temperatur hat Einfluss auf die Viskosität der Flüssigkeit und damit

auf die Trenneigenschaften der Suspension. Auch die Effektivität von Flockungsmitteln

hängt von der Temperatur ab. Der Temperaturbereich ist ferner entscheidend für die

Werkstoffauswahl (z.B. Kunststoff für Membranfilterplatten, Dichtungen etc.) und

mögliche chemische Reaktionen anwesender Stoffe.

§ pH-Wert, Ionenstärke, Korrosivität: Der pH-Wert und die Ionenstärke sind sehr

wichtige Größen bei der Auswahl von geeigneten Flockungsmitteln. Sie sind auch

mitbestimmend für die Werkstoffauswahl, da die korrosiven Eigenschaften der Flüssigkeit

durch sie beeinflusst werden.

§ Toxizität: (siehe Kapitel 2.2.1.1)

§ Dampfdruck, Entflammbarkeit, Geruch: Flüchtige Komponenten, besonders wenn sie

giftig oder leicht entflammbar sind, erfordern eine gasdichte Ausführung des

Trenngerätes. Kenntnis über den Flüssigkeitsdampfdruck unter bestimmten Druck- und

Temperaturbedingungen ist wichtig, vor allem bei der Vakuumfiltration

(Druckdifferenzverlust, Abluft). Auch bei der Auslegung von Zusatzaggregaten wie z.B.

Pumpen, müssen die Druckverhältnisse (einschließlich des Flüssigkeitsdampfdruckes)

beachtet werden, um Kavitation auszuschließen. Geruchsbelästigung (z.B. bei

Klärschlamm) soll häufig vermieden werden.

§ Oberflächenspannung, Benetzungswinkel: Diese Eigenschaften sind bestimmend für

die Bindung der Flüssigkeit an den Feststoff. Sie beeinflussen die remanente

Haufwerkssättigung bei der Gasdifferenzdruckentfeuchtung (Kapillardruckkurve) und der

Zentrifugalentfeuchtung (Bondplateau). Die Abtrennung des sogenannten Haft- und

Zwickelwassers erfordert einen wesentlich höheren energetischen Aufwand, als die des

Zwischenwassers. Die Oberflächenspannung kann durch Zugabe von Tensiden gesenkt

werden, falls die Prozessanforderungen dies zulassen.

§ Schaumneigung: Eine zu starke Schaumbildung kann Probleme bei der Trennung und

Weiterverarbeitung der Suspension bereiten und den Zusatz von Chemikalien erforderlich

machen.


§ Wert: Falls die Flüssigkeit der Wertstoff ist, kann eine Zugabe von Hilfsstoffen (z.B.

Flockungsmitteln) unerwünscht sein. Geforderte hohe Reinheit der Flüssigkeit kann eine

Nachklärung (z.B. in einem Polierfilter) notwendig machen. Wie oben erwähnt, hat es

einen erheblichen Einfluss auf die Apparateauswahl, ob ein Produkt eine hohe

Wertschöpfung besitzt, oder nur billigstmöglich entsorgt werden soll (z.B. Abwasser).

2.2.1.3 Suspension

§ Feststoffkonzentration: Die meisten Trenngeräte arbeiten nur in einem bestimmten

Feststoffkonzentrationsbereich zufriedenstellend bzw. wirtschaftlich. In manchen Fällen

muss eine Voreindickung erfolgen. Dies bedeutet, dass statt einem Apparat eine

Kombinationsschaltung aus mehreren Apparaten zum Einsatz kommt.

§ Rheologische Eigenschaften: Obwohl die rheologischen Eigenschaften der zu

trennenden Suspension (Anfangsschubspannung, Schubspannung als Funktion der

Scherrate, Verhältnisse bei Kompression im Zentrifugalfeld und/oder Energieeintrag

durch Scherung, thixotropes oder dilatantes Schlammverhalten [Luggen]) einen

erheblichen Einfluss auf die Anwendbarkeit verschiedener Trenngeräte haben, sind sie

nicht ausreichend untersucht. So können z.B. selbst nach Versuchen auf einem

Pilotdekanter keine sicheren Aussagen über die Förderbarkeit (Transportschnecke) in der

Großmaschine gemacht werden [Alt Gösele]. Thixotropes Schlammverhalten kann zur

Auswahl von speziellen Scherspaltfiltern (siehe Kap. 2.3.4.5) führen. Die Konsistenz des

Zulaufs ist bei der Apparateauswahl ebenfalls von Bedeutung (Produktkonsistenz siehe

Kap. 2.2.2).

§ Kompressibilität: Die Kompressibilität des sich bildenden Filterkuchens ist wichtig für

die Auswahl und Auslegung von FFT-Geräten (siehe Kap. 2.5.3.2). Die Ursachen

kompressiblen Verhaltens, wie es die meisten realen Suspensionen aufweisen, liegen in

der Partikelbeschaffenheit (Größe, Form, Festigkeit) und den Grenzflächeneigenschaften

[Alles]. Bei hochkompressiblen Materialien steigt der Filtrationswiderstand mit dem

Druck stark an, sodass der Einsatz von hohen Druckdifferenzen bei der Filtration (z.B. in

Filterpressen) keinen Vorteil mehr bringt [Leschber]. Bei Pressen gilt, dass

hochkompressible Schlämme mit Niederdruckapparaten, relativ inkompressible

Schlämme dagegen mit Hochdruckapparaten entfeuchtet werden sollten, um ein gutes

Aufwand-Nutzen-Verhältnis zu erzielen [Tittel].

§ Rissbildung, Schrumpfung des Filterkuchens: Starke Rissbildung bei Filterkuchen ist

besonders bei der Gasdifferenzdruckentfeuchtung unerwünscht, weil es zu

Gasdurchbrüchen kommt und der Luftverbrauch stark ansteigt (Faktor 10 bis 1000). Das

Rissbildungs- und Schrumpfungsverhalten von Filterkuchen ist abhängig von der

Partikelgrößenverteilung und vom Pressdruck [Wiedemann].

Teilziel 1 2.2.2 Produkteigenschaften 9

2.2.2 Produkteigenschaften

§ Restfeuchte: Es ist oft erwünscht, eine möglichst geringe Restfeuchte zu erzielen,

besonders, wenn eine thermische Trocknung, Verbrennung, Deponierung oder ein teurer

Transport auf den Fest-Flüssig-Trennschritt folgen (Kriterium für die Deponierfähigkeit

eines Schlammes ist die von der Restfeuchte abhängige sog. Flügelscherfestigkeit (unterer

Grenzwert für Klärschlamm: 25 kN/m2 nach TA-Siedlungsabfall)). Auch die Konsistenz

der Produkte hängt stark von deren Restfeuchte ab (siehe unten; vgl. Tabelle 2.1).

§ Filtrat- bzw. Zentratklarheit, gelöste Stoffe: Zuviel Feststoff im Überlauf erfordert

Nachklärung und/oder Rückführung bzw. Kombinationsschaltung mehrerer Geräte, falls

die Flüssigkeit in reiner Form gewonnen werden soll oder der Feststoff wertvoll ist.

Gelöste Stoffe im Filtrat sind oft unerwünscht (z.B. Erhöhung des BSB-Wertes durch

Aufbrechen von Zellen während der Entwässerung (Biochemischer Sauerstoffbedarf; ein

Maß für die Belastung eines Schlammes durch organische Verbindungen und Größe für

die Beurteilung von Abwasserbehandlungsanlagen)).

§ Konsistenz : Die Konsistenz, mit der der Feststoff das Trenngerät verlässt, ist ein

entscheidender Punkt bei der Apparateauswahl. Die der Fest-Flüssig-Trennung

nachfolgenden Prozessschritte bestimmen, in welchem Zustand (pumpfähig, stichfest,

rieselfähig etc.) der Feststoff am günstigsten ausgetragen werden sollte.

§ Korngrößenverteilung des Feststoffes: Sie unterscheidet sich möglicherweise von

derjenigen des Zulaufes (Kornzerstörung), was im weiteren Prozessverlauf beachtet

werden muss (eine Änderung des dispersen Zustandes hat große Auswirkungen auf die

Produkteigenschaften, z.B. Farbstärke bei Pigmenten, Granulierbarkeit,

Staubentwicklung).

§ Auswaschgrad, Reinheit der Feststoffe: Die Produktreinheit ist sehr wichtig, wenn der

Feststoff das eigentliche Zielprodukt der Trennung ist und frei von Verunreinigungen sein

soll. Die verschiedenen Trenngeräte unterscheiden sich stark in ihren Möglichkeiten, den

Feststoff zu waschen, weshalb dieser Aspekt eine großen Einfluss auf die

Apparateauswahl hat.

§ Sterilität: Sterilität ist sehr wichtig bei Bioprozessen und in der Pharmaindustrie, wo eine

Kontamination mit Keimen oder anderen Fremdstoffen vermieden werden muss. Oft ist

eine vollständige Ummantelung der Maschine erforderlich. Verwinkelte Konstruktionen

mit vielen Schmutznestern müssen vermieden werden.

§ Wert: s.o.


2.2.3 Gerätemerkmale

§ Verarbeitbarer Partikelgrößenbereich: Trenngeräte können je nach Bauweise und

Trennprinzip nur funktionieren, wenn der Partikelgrößenbereich des suspendierten

Feststoffs innerhalb bestimmter Grenzen liegt (siehe Anhang A2).

§ Verarbeitbarer Feststoffkonzentrationsbereich: Gleiches wie für die Partikelgröße gilt

auch für die Feststoffkonzentration im Zulauf. So verstopfen z.B. Tiefenfilter oder

Separatoren bei zu hoher Feststoffkonzentration. Andere Trenngeräte benötigen dagegen

eine Mindestfeststoffkonzentration (kuchenbildende Filter, Siebbandpresse,

Schubzentrifuge etc.).

§ Erreichbarer Durchsatz: Die Durchsätze von Fest-Flüssig-Trenngeräte reichen von

wenigen cm3/h in Laborgeräten bis zu mehreren hundert m3/h in großen Zentrifugen und

Filtern.

§ Erreichbare Filtratklarheit: Eine der wichtigsten Produkteigenschaften bei vielen

Trennprozessen ist die Klarheit des Filtrats bzw. des Zentrats. Die apparatespezifische

Grenzkorngröße gibt an, bis zu welcher Größe Partikeln gerade noch abgeschieden

werden können. Gegebenenfalls muss zu stark mit Feststoff beladenes Filtrat rückgeführt

(Trübstoß bei Filtern) oder mit Zusatzaggregaten gereinigt werden. Neben der Maschen-,

Spalt-, oder Porenweite des Filtermediums hängt der Feststoffgehalt in der Flüssigkeit oft

von Einstellparametern und dem gefahrenen Durchsatz der Maschine ab (z.B. Teichtiefe

und Differenzdrehzahl bei Dekantern).

§ Erreichbare Restfeuchte: Neben der Filtratklarheit ist eine möglichst geringe

Restfeuchte im ausgetragenen Feststoff das Hauptziel von Trennaufgaben. Je nach Höhe

der erreichbaren Druckgradienten oder Zentrifugalbeschleunigungen können

Suspensionen in verschiedenen Geräten unterschiedlich weit entfeuchtet werden. Unter

Anwendung hoher C-Werte in Zentrifugen kann z.B. sogar das Zwickelwasser teilweise

aus einem Haufwerk entfernt werden. Hier muss jedoch für eine Verringerung der

Restfeuchte um wenige Prozentpunkte ein hoher Aufwand in Kauf genommen werden.

§ Trennprinzip und erreichbarer Trenngradient: Man unterscheidet in der Fest-Flüssig-

Trennung zwischen filtrierenden- und sedimentierenden Verfahren. Daneben kommen

noch elektrische, magnetische und akustische Felder bei Trennung von Suspensionen zum

Einsatz. Das Trennergebnis wird mitbestimmt durch die Größe der jeweiligen Gradienten

(Druck, Erdbeschleunigungs- bzw. Zentrifugalkraft, Stärke des elektrischen oder

magnetischen Feldes), die auch als Intensitätsparameter bezeichnet werden [Trawinski].

§ Konsistenz des ausgetragenen Feststoffs: Je nach erreichbarer Restfeuchte ist die

Produktkonsistenz am Austrag der jeweiligen Apparate sehr verschieden, was für den

weiteren Prozess eine wichtige Rolle spielt. So tragen z.B. Querstromfilter und

Teilziel 1 2.2.3 Gerätemerkmale 11

Düsenseparatoren einen fließfähigen Schlamm aus, während der Austrag einer

Schubzentrifuge fast trocken und rieselfähig ist.

§ Investitions- und Betriebskosten: Die Investitionskosten hängen von der Konstruktion

und den verwendeten Werkstoffen ab. Hochdrehende Zentrifugen sind aufwendige und

teure Maschinen, aber auch viele Filter (z.B. Filterpressen) haben einen hohen Preis. Die

Betriebskosten hängen stark von benötigten Betriebsstoffen (Filtermedien,

Filterhilfsmittel, Flockungsmittel, Pressluft etc.), dem Wartungsaufwand und dem spez.

Energiebedarf (siehe unten) der jeweiligen Trenngeräte ab.

§ Spezifischer Energiebedarf: Der spezifische Energiebedarf von Trenngeräten geht wie

erwähnt in die Wirtschaftlichkeitsrechnung ein, die einen großen Einfluss auf die

endgültige Apparateauswahl hat.

§ Betriebsweise (kontinuierlich, diskontinuierlich), Automatisierungsmöglichkeiten:

Allgemein werden kontinuierlich und diskontinuierlich arbeitende

Entwässerungsmaschinen unterschieden. Diskontinuierliche Geräte können in manchen

Fällen durch eine Parallelschaltung mehrerer Einheiten oder durch Vorratsbehälter

quasikontinuierlich betrieben werden. Kontinuierliche Maschinen sind im Allgemeinen

besser automatisierbar und bei hohen Durchsätzen zu bevorzugen, es gibt jedoch auch

Ausnahmen (z.B. Filterpressen in der Klärschlammentwässerung).

§ Platzbedarf, Gewicht, Freiluftaufstellung: Diese Aspekte spielen eine Rolle, wenn

Platzmangel herrscht oder die Traglast von Gebäuden (z.B. Aufstellen schwerer Geräte in

oberen Stockwerken) limitiert ist. Oft müssen spezielle Fundamente für die

Geräteaufstellung bereitgestellt werden. Eine Freiluftaufstellung spart Gebäudekosten.

§ Benötigte Peripherie: Pumpen und Förderaggregate, Stationen für Pressluft- und

Dampferzeugung, hydraulische Aggregate, ausreichende Stromversorgung, Steuer- und

Regelungseinheiten (z.B. Frequenzumformer bei Zentrifugen) stellen einen zusätzlichen

Aufwand dar, der sich in einer Entscheidung zugunsten des einfacheren Gerätes

auswirken kann.

§ Lebensdauer, Wartung, Ersatzteile, Kundenservice des Herstellers: Die

Anforderungen an Verfügbarkeit und Lebensdauer bei FFT-Geräten sind sehr hoch, da sie

sich oft an entscheidenden Stellen im Prozess befinden und ein Produktionsstillstand

vermieden werden muss. Herstellergarantien bezüglich Leistungserfüllung und

Verfügbarkeit spielen in dieser Branche eine große Rolle und können mitausschlaggebend

bei der Auswahl einer Maschine sein.

§ Gasdichte Ausführung: Eine gasdichte Geräteausführung ermöglicht wie bereits erwähnt

die Verarbeitung kritischer Substanzen (toxisch, flüchtig, entflammbar etc.). Druckfilter

und Vollmantelzentrifugen sind hierfür besonders gut geeignet.


§ Verweilzeitverteilung: Wie bei fast allen verfahrenstechnischen Apparaten und

Maschinen hat die Verweilzeit der Stoffe im Trenngerät einen Einfluss auf die

Produkteigenschaften (Restfeuchte).

§ Waschungsmöglichkeiten, Trennung von Mutter- und Waschfiltrat: Die

verschiedenen Zentrifugen und Filter bieten je nach Bauweise (z.B.

Filterflächenanordnung horizontal oder vertikal) in unterschiedlichem Maße die

Möglichkeit für eine Durchwaschung des Filterkuchens bzw. des Sediments. In

technischen Prozessen spielt die Reinheit des Feststoffs oft eine große Rolle, sodass die

Waschung zu einem wichtigen Kriterium bei der Apparateauswahl wird. Die Trennung

von Wasch- und Mutterfiltrat ermöglicht eine Rezirkulation der Waschflüssigkeit, was die

Betriebskosten senkt. Sehr günstig ist die Möglichkeit einer Gegenstromwäsche.

§ Kornzerstörung: In Zentrifugen werden die Feststoffpartikel oft schlagartig

beschleunigt, prallen auf Einbauten oder werden von Fördereinrichtungen (Schnecke,

Schubboden) beansprucht, was dazu führt, dass vor allem kristalline Partikel zerkleinert

werden. Spielt die Kornschonung für das Endprodukt eine Rolle, muss das Gerät

entsprechend ausgewählt oder modifiziert (sanfter Suspensionseintrag, Vorbeschleunigen)

werden.

§ Werkstoffe, Standfestigkeit, chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit:

Geräte müssen durch die Wahl ihrer Werkstoffe an die zu verarbeitenden Materialen und

an die Umgebungsbedingungen angepasst werden. Verstärkungen und

Sonderausführungen von verschleißgefährdeten Teilen müssen je nach Einsatzfall in

Betracht gezogen werden und können hohe Kosten verursachen.

§ Empfindlichkeit gegen Schwankungen der Zulaufeigenschaften: Eine

Sensitivitätsanalyse zeigt, ob ein Gerät bei Schwankungen der Zulaufeigenschaften weiter

funktionsfähig bleibt. Es gibt Entwässerungsmaschinen, die relativ unempfindlich

gegenüber solchen Schwankungen sind (z.B. Filterpressen, Dekanter), andere dagegen

arbeiten nur unter gleichbleibenden Bedingungen zufriedenstellend (z.B.

Doppelbandpressen). Im letztgenannten Fall muss entweder durch vorgeschaltete

Maßnahmen (z.B. Vorratsbehälter zwecks Homogenisierung) oder durch eine Regelung

Abhilfe geschaffen werden. In diesem Zusammenhang spielt auch der Ausbildungsstand

des Bedienungspersonals (siehe unten) eine wichtige Rolle, da durch gezieltes Eingreifen

an der richtigen Stelle Gefahrsituationen abgewendet werden können, die ansonsten zum

Stillstand oder zur Beschädigung der Maschine führen würden. Die meisten Geräte sind

aus diesem Grund mit Überlastschutzvorrichtungen ausgestattet (z.B.

Drehmomentabschaltung).

Teilziel 1 2.2.4 Prozessanforderungen und Randbedingungen 13

§ Bedarf an Filtermedien und Filterhilfsstoffen: Der Preis und der Verschleiß bzw. der

Verbrauch von Filtertüchern, Filtermembranen, Precoatschichten und Zuschlagsstoffen

(z.B. Asche und Metallsalze bei Trommelfiltern und Filterpressen) haben Einfluss auf die

Betriebskosten des jeweiligen Gerätes. Gleiches gilt für den spezifischen

Flockungsmittelbedarf, der z.B. bei Dekantern relativ hoch ist. Er hängt unter anderem

davon ab, ob das Flockungsmittel dem Schlamm vor dem Trennschritt zugesetzt wird und

damit relativ lange wirken kann, oder ob es direkt in die Entwässerungsmaschine

eingetragen wird.

§ Einstellparameter: Die Anzahl der verfahrenstechnischen Einflussmöglichkeiten auf den

Trennprozess sind je nach Gerät unterschiedlich. Bei manchen Geräte (z.B.

Gleitzentrifuge ohne Leitkanaleinbauten) bestehen nur sehr geringe

Einflussmöglichkeiten, während andere Geräte über mehrere Betriebsparameter verfügen,

sodass sie dem jeweiligen Trennproblem angepasst werden können. Dies soll wiederum

am Beispiel des Dekanters verdeutlicht werden, der je nach Einstellung als Eindicker,

Klärer oder auch als Klassierer betrieben werden kann.

§ Produktreinhaltung, CIP-Möglichkeiten: Besonders in der Lebensmittel- und

Pharmaindustrie werden hohe Anforderungen an die Sauberkeit des Verfahrensraumes

von Apparaten und Maschinen gestellt. Die Trennung von Verfahrens- und

Maschinenraum ist wichtig, um eine Verschmutzung des Produktes z.B. mit

Schmierstoffen zu verhindern. Bei der Verarbeitung verderblicher Produkte oder

häufigem Produktwechsel ist es notwendig, den Verfahrensraum zwischen zwei Chargen

zu reinigen (möglichst automatisch). Einige Trenngeräte sind hierfür mit

Wascheinrichtungen ausgerüstet.

2.2.4 Prozessanforderungen und Randbedingungen

§ Durchsatz: Der zu bewältigende Durchsatz hat großen Einfluss auf die Apparateauswahl.

Obwohl Trenngeräte in verschiedenen Baugrößenabstufungen angeboten werden, gibt es

dennoch Typen, die nur bei relativ großen bzw. kleinen Durchsätzen sinnvoll anwendbar

sind. So würden Röhrenzentrifugen z.B. keineswegs zur Klärschlammentwässerung

eingesetzt werden, obwohl mit ihnen sicher geringe Restfeuchten erzielbar wären. Die

Anwendung eines größeren Gerätes ist meist wirtschaftlicher, als die Parallelschaltung

mehrerer kleiner Geräte.

§ Kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb: Die der Fest-Flüssig-Trennung vor-

und nachgeschalteten Prozessschritte legen fest, ob der Materialfluss kontinuierlich oder

diskontinuierlich erfolgen muss. Dies muss bei der Auswahl von Trenngeräten beachtet

werden.


§ Ziel der Trennung : Je nachdem, ob die Gewinnung der reinen Flüssigkeit, des

Feststoffes oder beider Phasen das Ziel der Trennaufgabe ist, können verschiedene Geräte

bzw. Gerätekombinationen eingesetzt werden. Oft müssen bestimmte Vorgaben bezüglich

der Restfeuchte (z.B. Deponierfähigkeit, anschließende thermische Trocknung) oder der

Filtratklarheit (z.B. Reinhaltung im Kreislauf geführter Flüssigkeiten) erfüllt werden.

§ Gewünschte Konsistenz des Austrags : (siehe Produkteigenschaften, Kap. 2.2.2)

§ Zulässigkeit und Verfügbarkeit von Filterhilfsstoffen : In vielen Fällen ist eine

Verunreinigung der Flüssigkeit oder des Feststoffes mit Filterhilfsstoffen oder

Flockungsmitteln nicht zulässig, da hierdurch die Produkteigenschaften negativ

beeinflusst werden. Es hängt also von den Prozessbedingungen ab, ob die Trennung

unterstützende Zusatzstoffe verwendet werden dürfen. Andererseits können, falls

Filterhilfsstoffe billig zur Verfügung stehen, Trenngeräte zum Einsatz kommen, die

andernfalls nicht die wirtschaftlichste Option wären (z.B. Trommelfilter bei der

Klärschlammentwässerung [Leschber]).

§ Automatisierungsmöglichkeiten: Personalersparnis, größere Betriebssicherheit und

präzise Prozessregelung und Steuerung zwecks Qualitätssicherung sind Vorteile einer

vollautomatisierten Betriebsweise. Deshalb können Geräte mit guten

Automatisierungsmöglichkeiten aus prozesstechnischen Gründen bei der

Apparateauswahl begünstigt werden.

§ Notwendigkeit einer gasdichten Ausführung: Wie bereits erläutert können die

Eigenschaften der verarbeiteten Substanzen eine gekapselte Ausführung des Trenngerätes

notwendig machen.

§ Werkstoffauswahl (siehe Gerätemerkmale, Kap. 2.2.3)

§ Kornzerstörung (siehe Gerätemerkmale, Kap. 2.2.3)

§ Geographische Lage, Druck und Temperatur, Luftfeuchtigkeit: Der Aufstellungsort

des Trenngerätes bestimmt klimatische Randbedingungen wie Luftfeuchtigkeit,

Umgebungsdruck und Lufttemperatur, die durchaus einen großen Einfluss auf die

Funktionsfähigkeit haben können (z.B. Druckdifferenzverlust bei Aufstellung von

Vakuumfiltern im Hochland).

§ Sterilität und CIP-Möglichkeiten: (siehe Gerätemerkmale, Kap. 2.2.3)

§ Qualifikation des Bedienungspersonals: Bei schlecht qualifiziertem Bedienungs-

personal muss unter Umständen die Auswahl eines gegenüber Bedienungsfehlern

unempfindlicheren Gerätes oder einer Kombinationsschaltung in Betracht gezogen

werden, während von geschultem Personal auch heikle Geräteeinstellungen bewältigt

werden können [Hawkes].

Teilziel 1 2.2.4 Prozessanforderungen und Randbedingungen 15

§ Erfahrungen mit bestimmtem Gerätetyp, Beziehungen zum Hersteller: Anwender

von FFT-Geräten neigen bei Neuanschaffungen dazu, dem vertrauten Gerätetyp den

Vorzug zu geben, auch wenn andere Bauweisen erfolgversprechend sind [Pierson]. Die

Kunde-Hersteller-Beziehung hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Apparateauswahl

[Hawkes). Oft haben sich Hersteller auf bestimmte Anwendungsfälle der Kunden

spezialisiert und bieten Komplettlösungen an.

§ Verfügbarkeit von Versuchsapparaturen/-Anlagen: Das Vorhandensein von

Versuchsanlagen (bei Hersteller oder Kunde) zur Eignungsprüfung und Auslegung von

Trenngeräten kann Einfluss auf deren Auswahl haben, da bessere Vorhersagen über ihre

Leistungsfähigkeit gemacht werden können.

2.3 Fest-Flüssig-Trenngeräte

In diesem Kapitel wird ein Überblick über die wichtigsten FFT-Geräteklassen und deren

Hauptvarianten gegeben. Es werden jedoch nicht alle vorhandenen Spezialausführungen und

Abwandlungen aufgezählt (für eine vollständige Auflistung und Beschreibung der auf dem

Markt befindlichen FFT-Geräte siehe z.B. [Stahl, 1999]).

Es werden allgemeine Informationen über den Aufbau, die Wirkungsweise und typische

Anwendungsgebiete sowie gegebenenfalls über die Vor- und Nachteile des jeweiligen

Gerätetyps angeführt. Wenn möglich sind quantitative Werte, z.B. bezüglich der

durchschnittlich verarbeitbaren Partikelgrößen oder der Feststoffkonzentration im Zulauf

genannt (ausführlichere Informationen hierzu finden sich in Anhang A2).

Eine solche Darstellung und entsprechende Verweise in den nachfolgenden Kapiteln, die sich

mit der Apparateauswahl befassen, ermöglichen eine bessere Unterscheidung bzw.

Zuordnung der Trenngeräte im jeweiligen Fall.

In Bild 2.2 sind die in diesem Kapitel beschriebene Geräte aufgezählt und anhand ihres

Wirkprinzips unterteilt.

16 2.3 Fest-Flüssig-Trenngeräte Teilziel 1

Bild 2.2: Einteilung von FFT-Geräten nach ihrem Wirkprinzip

2.3.1 Schwerkrafteindicker und Klärer

§ Rundklärbecken

Typische Anwendungsgebiete: Rundklärbecken werden zum Eindicken und Klären von

relativ verdünnten Suspensionen in größerem Maßstab eingesetzt, oft als Vorstufe zu

einem weiteren mechanischen Trennschritt z.B. in einer Zentrifuge oder einem Filter.

Partikelgrößenbereich: 0,1 µm – 500 µm; Zulaufkonzentration: < 15 Vol.%

Das Rundklärbecken besteht aus einem zylindrischen Tank mit einem flachen oder

konisch ausgeführten Boden. Die Suspension wird, ggf. nach Zusatz von Flockungsmittel,

kontinuierlich und möglichst sanft in das Becken eingebracht, wo der

Sedimentationsvorgang stattfindet. Klare Flüssigkeit wird über ein Überlaufwehr

abgezogen. Der eingedickte Schlamm verlässt das Becken über eine Öffnung an dessen

Unterseite. Ein Krälwerk unterstützt die Eindickung durch das Einbringen von

Scherkräften und Drainagekanälen in den Schlamm. Gleichzeitig sorgt es dafür, dass der

Schlamm der Austragsöffnung zugeführt wird. Es werden Becken mit über 200 m

Durchmesser gebaut. Werkstoffe sind meist Beton und Stahl.

§ Hochleistungseindicker

Typische Anwendungsgebiete: Hochleistungseindicker werden dort eingesetzt, wo

schnell-sedimentierende Feststoffe abgetrennt werden sollen und gleichzeitig wenig Platz

zur Verfügung steht.

Partikelgrößenbereich: 0,1 µm – 300 µm; Zulaufkonzentration: < 10 Vol.%

Teilziel 1 2.3.2 Hydrozyklone 17

Hochleistungseindicker arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie konventionelle Eindicker.

Durch die Zugabe von Flockungsmitteln werden Agglomerate gebildet, die schnell

absinken, und somit einen hohen Feststoffdurchsatz bei kleiner Klärfläche ermöglichen.

Ein Nachteil dieses Gerätetyps ist der gegenüber Schwerkrafteindickern höhere Bedarf an

teuren Flockungsmitteln. Hochleistungseindicker gibt es in verschiedenen Ausführungen.

Am weitesten verbreitet Konus- und Lamelleneindicker.

§ Klärer

Anwendungsgebiet: Klärer werden für die Gewinnung feststofffreier Flüssigkeit aus

verdünnten Suspensionen eingesetzt.

Partikelgrößenbereich: ca. 1 - 50µm; Zulaufkonzentration: < 10 Vol.%

Klärer sind meist in zwei Bereiche unterteilt, einen mit Rührorganen ausgestatteten

Flockungs- und Koagulationsbereich und einen Sedimentationsbereich. Nach dem Eintritt

durchläuft die Suspension zunächst die Flockungszone und tritt anschließend in die

Sedimentationszone ein, wo ein ungestörtes Absetzen des Feststoffs stattfindet. Die klare

Flüssigkeit wird über ein Überlaufwehr abgezogen. Der aufkonzentrierte Feststoff wird

ähnlich wie bei einem Rundklärbecken mit Hilfe eines Krälwerkes über den

Behälterboden abgezogen. Einige Varianten von Klärern verfügen über geneigte Platten

im Sedimentationsbereich, um, ähnlich wie bei einem Lamelleneindicker, die Klärfläche

zu vergrößern. Teilweise wird zur Verbesserung der Klärleistung mit einer Rezirkulierung

des Feststoffs gearbeitet.

2.3.2 Hydrozyklone

Anwendungsgebiete: Hydrozyklone werden als Eindicker, Klärer und als Klassierer

eingesetzt.

Partikelgrößenbereich: ca. 2 – 500 µm; Zulaufkonzentration: 2 – 30 Vol.%

Das Wirkprinzip des Hydrozyklons ist die Sedimentation bzw. Klassierung im

Zentrifugalfeld. Das Zentrifugalfeld wird dabei durch tangentiales Einspeisen des Zulaufs im

zylindrischen Bereich des Hydrozyklons erzeugt, d.h. das Gerät kommt ohne bewegte Teile

aus. Die mittleren Zulaufgeschwindigkeiten liegen zwischen 10 und 30 m/s, was je nach

Gerät zu Zentrifugalbeschleunigungen von 800 bis 50.000g führt. Gröbere bzw. dichtere

Partikeln werden durch die Öffnung am unteren Ende des Konus ausgetragen, wohingegen

das Feingut das Gerät über das Ablaufrohr am oberen Ende verlässt. Typische

Zylinderdurchmesser von Hydrozyklonen liegen zwischen 1 und 30 cm bei Konuswinkeln

von 25 – 50°. Die Mindestgrenzkorngröße liegt bei etwa 5 µm je nach Größe und Geometrie

des Hydrozyklons, der Zulaufrate und dem Druckverlust entlang des Gerätes. Oft werden

kleine Hydrozyklone parallel geschaltet, da bei geringen Durchmessern höhere

Tangentialgeschwindigkeiten erreicht werden.


2.3.3 Zentrifugen

Es gibt prinzipiell zwei Arten von Zentrifugen, sedimentierende und filtrierende Zentrifugen.

In einigen Fällen, z.B. beim Siebdekanter, sind beide Prinzipien in einem Gerät vereint.

2.3.3.1 Sedimentierende Zentrifugen

In sedimentierenden Zentrifugen wird durch Zentrifugalkräfte das Absetzen der dichteren

Phase, normalerweise des Feststoffes, an der unperforierten rotierenden Zentrifugenwand

beschleunigt. Das Sediment wird in konzentrierter Form ausgetragen. Das geklärte Zentrat

wird möglichst weit vom Ort des Zulaufs entfernt abgezogen. In dieser Geräteklasse gibt es

sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich arbeitende Maschinen.

Die Anwendungsgebiete reichen vom Einsatz als Klärer oder Klassierer bis zur Eindickung

und Entwässerung von Schlämmen.

§ Röhrenzentrifuge

Typische Anwendungsgebiete: Röhrenzentrifugen werden meist zur diskontinuierlichen

Klärung, seltener zur Klassierung verdünnter Suspensionen eingesetzt.

Partikelgrößenbereich: ca. 0,1 – 100 µm; Zulaufkonzentration: 0,005 – 3 Vol.%

Röhrenzentrifugen verfügen über eine langgestreckte Trommel mit typischen

Durchmessern von 5 bis 15 cm und einem Durchmesser-Länge-Verhältnis von 1:4 bis 1:8.

In dieser vertikal angeordneten Trommel werden Zentrifugalbeschleunigungen von 18.000

bis 65.000g erreicht, was die Röhrenzentrifuge zu einem sehr leistungsfähigen Trenngerät

macht. Röhrenzentrifugen sind auf niedrige Durchsätze bis ca. 4 m3/h und niedrige

Feststoffkonzentrationen im Zulauf beschränkt. Der Feststoffaustrag erfolgt manuell nach

jedem Arbeitszyklus.

§ Korbzentrifuge

Typische Anwendungsgebiete: Korbzentrifugen finden Verwendung beim Abtrennen von

Feststoff aus Suspensionen und Aufkonzentrieren von Schlämmen.


Korbzentrifugen verfügen über ein anderes Durchmesser-Länge-Verhältnis als Röhren-

zentrifugen (ca. 1:0,6) und laufen entsprechend langsamer (C-Wert < 1.600). Typische

Trommeldurchmesser liegen zwischen 25 und 150 cm. Der Feststoffaustrag erfolgt

manuell bei stehender Maschine oder mittels eines Schabers bei geringer Drehzahl

(quasikontinuierliche Betriebsweise). Die Zentratabfuhr erfolgt entweder über ein

Überlaufwehr oder, bei größeren Maschinen, mit Hilfe eines Schälrohres. Die Durchsätze

liegen bei etwa 3 - 6 m3/h. Es werden auch mehrstufige Ausführungen hergestellt, die

effizienter aber auch teurer sind.

Teilziel 1 2.3.3 Zentrifugen 19

§ Separator

Typische Anwendungsgebiete: Separatoren werden zum Trennen von Suspensionen mit

geringem Feststoffgehalt und Flüssig-Flüssig-Gemischen bei geringen

Dichteunterschieden eingesetzt. Auch Extraktionsvorgänge können durchgeführt werden.


(selbstreinigender Separator), 0,002 – 0,5 Vol.% (diskontinuierlicher Separator),

0,2 – 6 Vol.% (Düsenseparator)

Separatoren bestehen aus einer doppelkonischen, undurchlässigen Trommel, in der sich

ein Paket aus konischen Scheiben, den sogenannten Tellern befindet, die in einem

Abstand von 0,5 – 2 mm angeordnet sind. Der Zulauf erfolgt an Oberseite der Maschine.

Die Suspension durchläuft das Tellerpaket (große Klärfläche), wobei sich die Partikeln an

den schrägen Wänden der Teller absetzen und zum Außenradius des Separators gleiten.

Hier wird der aufkonzentrierte Schlamm entweder diskontinuierlich per Hand oder

kontinuierlich mittels Düsen entnommen. Das Zentrat wird im oberen Teil der Maschine

mit Hilfe von sogenannten Schälscheiben abgezogen. Mit kontinuierlichen Separatoren

können toxische, entflammbare und flüchtige Suspensionen bei Durchsätzen von bis zu

200 m3/h verarbeitet werden. Es werden C-Werte bis 12.000 erreicht. Separatoren

erlauben nur geringe Feststoffkonzentrationen im Zulauf (Verstopfung der

Tellerzwischenräume) und sind komplexe und teure Trenngeräte.

§ Dekanter

Typische Anwendungsgebiete: Dekanter werden als Eindicker, Klärer oder Klassierer und

sogar als Sortierer (Sortierdekanter) eingesetzt.


Ein Dekanter besteht aus einer undurchlässigen Trommel mit einem zylindrischen und

einem konischen Teil. In ihr befindet sich eine Förderschnecke, die den sedimentierten

Feststoff entlang der Trommel fördert und über den Konus austrägt. Typische

Trommeldurchmesser reichen von 10 – 200 cm. Bei 1.600 – 6.000 Umdrehungen pro

Minute werden C-Werte von etwa 2.000 bis 5.000 erreicht. Die Differenzdrehzahl der

Schnecke zur Trommel reicht von wenigen Umdrehungen pro Minute bis zu 100 Upm.

Dekanter arbeiten kontinuierlich und sind in der Lage große Durchsätze zu bewältigen

(bis 200 m3/h). Der Suspensionszulauf erfolgt über ein zentrisch angeordnetes Einlaufrohr

und Öffnungen im Schneckengrundkörper. Das Zentrat verlässt den Dekanter über

Überlaufwehre am zylindrischen Teil, deren Höhe mittels sogenannter Wehrscheiben

eingestellt werden kann. Dekanter existieren in vielen verschiedenen Ausführungen, die

sich hinsichtlich ihrer Geometrie (Konuswinkel, Länge, Streckung, Schneckengeometrie

etc.) aber auch bezüglich der Förderrichtung des Feststoffs (Gleich- und

Gegenstromprinzip) unterscheiden. So gibt es z.B. spezielle Klärdekanter,

Schlammdekanter und Sortierdekanter. Allgemein ist der Dekanter ein vielseitig


einsetzbares und relativ unempfindliches Gerät, das in vielen Branchen Verwendung

findet.

Bild 2.3: Dekanter (Siebtechnik)

2.3.3.2 Filtrierende Zentrifugen

Filtrierende Zentrifugen verfügen über eine durchlässige Trommel. Der Feststoff wird durch

ein Filtermedium zurückgehalten, während die Flüssigkeit unter der Wirkung der

Zentrifugalkraft abdrainiert. Das Austragen des gebildeten Filterkuchens erfolgt je nach

Zentrifugentyp auf verschiedene Weise. Es gibt kontinuierliche und diskontinuierliche

Zentrifugen dieses Typs. Allgemein eignen sich diese Maschinen gut für die

Filterkuchenwaschung. Die wichtigsten filtrierenden Zentrifugen werden im folgenden näher

beschrieben.

§ Filtrierende Korbzentrifugen

Typische Anwendungsgebiete: Filtrierende Korbzentrifugen werden für die Entwässerung

von Suspensionen mit relativ guten Drainageeigenschaften eingesetzt. Sie erlauben lange

Wasch- und Schleuderzeiten.

Partikelgrößenbereich und Zulaufkonzentration: ca. 10 – 1.000 µm und 2 – 10 Vol.%

(Dreisäulen- und Hängependelzentrifuge); ca. 2 – 1.000 µm und 2 – 10 Vol.%

(Schälzentrifuge)

Dieser diskontinuierlich bzw. quasikontinuierlich betriebene Zentrifugentyp verfügt über

eine einseitig offene, vertikal oder horizontal angeordnete Trommel. Der Trommelmantel

ist perforiert und mit einem Filtermedium ausgekleidet ist (Filtertuch oder Spaltsiebe).

Durch das offene Trommelende erfolgt die Suspensionsaufgabe mittels eines

Einlauftrichters. Auch Waschdüsen und Schälmesser für den Kuchenaustrag werden über

das offene Trommelende eingeführt. Die Ausführung mit vertikaler Trommel, die als

Hängependelzentrifuge und als Drei-Säulen-Zentrifuge bekannt sind, können stehend


oder bei geringer Drehzahl befüllt werden. Die horizontale, vollautomatisierte Version,

die als Schälzentrifuge bezeichnet wird, wird bei hoher Drehzahl befüllt und betrieben.

Für den Schälvorgang wird die Drehzahl abgesenkt. Es werden

Zentrifugalbeschleunigungen von 400 – 1.500 g erreicht.

§ Kegelzentrifugen

Typische Anwendungsgebiete: Dieser Zentrifugentyp kommt bei der kontinuierlichen

Entwässerung von relativ gut filtrierenden Suspensionen zum Einsatz.

Partikelgrößenbereich : ca. 80 – 10.000 µm (Gleitzentrifuge); ca. 100 – 10.000 µm

(Schwing- und Taumelzentrifuge); ca. 60 – 5.000 µm (Siebschneckenzentrifuge);

Zulaufkonzentration: ca. 10 – 40 Vol.%

Allen Kegelzentrifugen ist eine konische, durchlässige Trommel gemeinsam, entlang der

der Filterkuchen zum Austrag befördert wird. Die Filtration erfolgt dabei bei ansteigender

Zentrifugalbeschleunigung, da sich der Radius der Trommel zum Austrag hin vergrößert.

Die verschiedenen Typen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der

Feststoffförderung im Konus.

Bei der Gleitzentrifuge erfolgt das Gleiten des Feststoffes entlang der Trommel aufgrund

der Hangabtriebskomponente der Zentrifugalkraft. Typische Konuswinkel liegen

zwischen 25° und 30°. Der Reibwinkel ist jedoch produktabhängig und ändert sich

zusätzlich mit abnehmender Restfeuchte des Filterkuchens. Die Maschine ist daher kaum

anpassbar und erlaubt bei festgelegter Drehzahl (C-Wert ca. 2.500) keinen Einfluss auf die

Verweilzeit des Produktes. Dies schränkt auch die Waschmöglichkeiten ein.

Gleitzentrifugen werden bei rasch filtrierenden, relativ groben Materialien eingesetzt. Sie

sind vergleichsweise einfache und kostengünstige Trenngeräte.

Bei der Schwingzentrifuge ist der Rotation der Trommel eine axiale Schwingung

überlagert. Der Konuswinkel ist kleiner (13°-18°) als der Reibwinkel und der Kuchen

wird durch die Oszillation der Trommel (ca. 1.700 1/min) gefördert. Aufgrund der

Werkstoffbeanspruchung sind nur geringe C-Werte von 75 – 150 erreichbar, was die

Entfeuchtungsleistung einschränkt. Schwingzentrifugen werden daher ebenfalls für die

Abtrennung relativ grober Feststoffpartikeln eingesetzt.

In der Taumelzentrifuge bewirkt eine der Rotation überlagerte Taumelbewegung der

Trommel, dass sich der effektive Konuswinkel periodisch ändert, und der Kuchen somit

intermittierend bewegt wird. Trotz der geringen C-Werte (100 - 150) kann das

Entfeuchtungsergebnis sehr gut sein. Man muss jedoch stets einen Kompromiss zwischen

längerer Verweilzeit und damit besserer Entfeuchtung und dem damit verbundenen

geringeren Durchsatz finden. Taumelzentrifugen werden meist für die Abtrennung relativ

grober Partikeln eingesetzt, wenn zusätzlich keine Waschung erforderlich ist.


Bild 2.4: Verschiedene Kegelzentrifugen der Firma Siebtechnik

In der Siebschneckenzentrifuge erfolgt der Feststofftransport, ähnlich wie beim

Dekanter, mittels einer Förderschnecke, die mit einer Differenzdrehzahl zur Trommel

rotiert. Es werden C-Werte von ca. 1.800 erreicht, was eine rasche Entfeuchtung und

somit relativ hohe Durchsätze ermöglicht. Auch hier besteht eine Abhängigkeit von

Restfeuchte und Durchsatz. Der Vorteil der Maschine besteht in der Zwangsförderung

durch die Schnecke. Nachteile sind die erschwerte Waschung, Kornzerstörung und

Abrasionsprobleme. Schneckenzentrifugen finden breite Anwendung bei der

Entfeuchtung faseriger Produkte.

§ Schubzentrifuge

Typische Anwendungsgebiete: Das Einsatzgebiet von Schubzentrifugen ist die

Entfeuchtung relativ grobkörniger Suspensionen bei gleichzeitiger Forderung nach

geringer Endrestfeuchte und guten Waschmöglichkeiten.

Partikelgrößenbereich: ca. 80 – 7.000 µm; Zulaufkonzentration: 4 – 40 Vol.%, bei einigen

Produkten ist eine höhere Mindestfeststoffkonzentration als 4 Vol.% erforderlich.


Die Schubzentrifuge ist wahrscheinlich die am weitesten verbreitete Filterzentrifuge. Die

Kuchenbildung erfolgt in einer rotierenden zylindrischen Siebtrommel, die mit

Spaltsieben ausgekleidet ist. Die Spaltsiebe sollen einen möglichst geringen

Feststoffdurchschlag gewährleisten und gleichzeitig wenig Reibwiderstand für den

Kuchentransport bieten. Der Kuchentransport erfolgt durch einen oszillierenden

Schubboden, der den Kuchenring in der Trommel periodisch um eine definierte Länge in

Richtung des Feststoffaustrages schiebt (Schubbodenfrequenz bis zu 100 Hz).

Zentrifugalbeschleunigungen von etwa 2.000 g und relativ lange Verweilzeiten haben ein

gutes Entfeuchtungsergebnis zur Folge. Falls erforderlich erfolgt eine Waschung des

Filterkuchens mittels Düsen, welche die Waschflüssigkeit gleichmäßig über die

Waschzone verteilen. Ein Problem der Schubzentrifuge sind die hohen Axialkräfte, die

der Kuchenring übertragen muss und die vom Schubboden aufgebracht werden müssen.

Ein weiteres Problem, das sogenannte Fluten, tritt auf, wenn die Flüssigkeit nach der

Suspensionsaufgabe nicht schnell genug abdrainiert und bis zum Feststoffaustrag

durchbricht. Eine Abhilfe für beide Punkte stellt die mehrstufige Schubzentrifuge dar, die

jedoch aufwendiger und teurer ist als die einstufige Ausführung. Allen Schubzentrifugen

ist ein relativ hoher Feststoffdurchschlag im Zentrat sowie eine Verstopfungsneigung der

Spaltsiebe mit Feststoffpartikeln gemeinsam.

Bild 2.5: 2-stufige Schubzentrifuge (Siebtechnik)

§ Prallringzentrifuge

Typische Anwendungsgebiete: Diese Zentrifuge wird zur Entfeuchtung grobkörniger

Suspensionen bei Forderung nach geringer Restfeuchte eingesetzt.

Partikelgrößenbereich: ca. 100 – 7.000 µm; Zulaufkonzentration: 4 – 40 Vol.%

In diesem Gerätetyp werden geringe Restfeuchten dadurch erzielt, dass die meist

körnigen, granulatartigen Partikeln während des Schleuderns gegen Einbauten in der

Filtertrommel prallen, was Flüssigkeitszwickel aufreißt und eingeschlossene Flüssigkeit


(Innenwasser) freisetzt. Prallringzentrifugen sind relativ teuer und auf bestimmte

Produktsorten beschränkt.

2.3.4 Filter

2.3.4.1 Vakuumfilter

Bei diesem Filtertyp wird eine Suspension unter Anwendung von Vakuum derart getrennt,

dass die Flüssigkeit durch ein Filtermedium hindurchgesaugt wird, während die

Feststoffpartikeln zurückgehalten werden und einen Filterkuchen bilden. Die Druckdifferenz

zwischen der Oberseite und der Unterseite des Filtermediums ist dabei durch den

Umgebungsdruck auf Werte kleiner als ca. 0,85 bar limitiert. Bei der Verarbeitung von

Substanzen mit hohem Dampfdruck oder bei einer Geräteaufstellung in größeren

geodätischen Höhen sinkt die Druckdifferenz, welche für die Filtration zur Verfügung steht,

zusätzlich ab, was den Einsatz von Vakuumfiltern unter diesen Bedingungen in Frage stellen

kann.

Vakuumfilter werden in sehr verschiedenen Ausführungen hergestellt. Es gibt neben

chargenweise betriebenen Geräten auch kontinuierlich arbeitende Vertreter dieser

Geräteklasse. Die wichtigsten Vakuumfiltertypen werden in folgenden erläutert.

§ Einzelblattfilter (Nutschenfilter)

Typische Anwendungsgebiete: Vakuumnutschen werden zur diskontinuierlichen

Entwässerung von relativ kleinen Chargen bei gleichzeitiger Notwendigkeit einer guten

Kuchenwaschung eingesetzt.

Partikelgrößenbereich: ca. 1 – 500 µm; Zulaufkonzentration: 0,03 – 2 Vol.%

Das Nutschenfilter besteht aus einem geschlossenen zylindrischen Vakuumbehälter und

einer darin befindlichen Filterfläche, auf der sich der Kuchen bildet. Der Suspensions-

bzw. der Waschflüssigkeitszulauf erfolgt an der Geräteoberseite. Das Vakuum wird

unterhalb des Filtermediums angelegt. Nach Abschluss des Filtrationsvorganges können

weiter Schritte wie Gasdifferenzdruckentfeuchtung und Kuchenwaschung erfolgen.

Größere Geräte verfügen über mechanische Einrichtungen für die Wiederanmaischwäsche

und den Kuchenaustrag.

Einfache Vakuumfilter wie die sogenannte Handfilterplatte (siehe Anhang A1.1)

besitzen nur eine Filterfläche und sind nach oben hin offen. Der Kuchenaustrag erfolgt

z.B. durch Drehen der Filterfläche, sodass der Kuchen abrutscht. Dieser Filtertyp wird

vornehmlich für die Ermittlung von Filtrations-, Wasch- und Entfeuchtungseigenschaften

einer Suspension im Labormaßstab eingesetzt.

§ Multiblattfilter

Typische Anwendungsgebiete: Das Einsatzgebiet von Blattfiltern ist die

quasikontinuierliche Trennung von Suspensionen bei höheren Durchsätzen.

Teilziel 1 2.3.4 Filter 25


Ein typischer Vertreter dieses Filtertyps ist das Moore-Tauchfilter. Es besteht aus einem

Paket rechteckiger Filterplatten, das in einen Trog mit Suspension getaucht wird.

Im Inneren der Platten wird Vakuum angelegt, sodass die Kuchenbildung am deren

Außenseiten erfolgt. Das Filtrat wird über ein Filtratsammelsystem abgezogen. Der

Kuchenabwurf erfolgt durch ein Rückblasen von Filtrat, nachdem das Plattenpaket aus

dem Suspensionstrog gezogen wurde. Eine vollautomatische Betriebsweise ist bei einem

problemlosen Kuchenabwurf möglich. Die Waschmöglichkeiten des Moore-Filters sind

hingegen mäßig. Toxische oder flüchtige Substanzen können aufgrund der offenen

Bauweise des Filters nicht verarbeitet werden.

§ Bandfilter

Typische Anwendungsgebiete: Das Einsatzgebiet von Bandfiltern ist die kontinuierliche

Trennung relativ gut filtrierender Suspensionen bei Bedarf nach guten

Nachbehandlungsmöglichkeiten des Kuchens (z.B. Waschung, Bedampfung etc.).


Das Bandfilter besteht aus einem zwischen zwei Walzen endlos umlaufenden Filtertuch,

das durch einen perforierten Gurt unterstützt wird. Gurt und Filtertuch werden über eine

Reihe von Vakuumkästen geführt (Bandgeschwindigkeit bis ca. 0,5 m/s), die für das

Anlegen der Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Filtermediums sorgen.

Die Suspensionsaufgabe erfolgt über einen Verteiler, nachdem das Band die horizontale

Lage erreicht hat. Der horizontale obere Teil des Bandes kann variabel zur

Kuchenbildung, Waschung, Entfeuchtung oder z.B. zum Bedampfen mittels einer

Dampfhaube genutzt werden. Der Kuchenabwurf erfolgt an der 2. Walze. Während das

Band im unteren Geräteteil umläuft, kann es mit Hilfe von Düsen gereinigt werden.

Die Vorteile des Bandfilters liegen in der kontinuierlichen Betriebsweise verbunden mit

relativ hohen erreichbaren Durchsätzen und guten Automatisierungsmöglichkeiten.

Besonders günstig ist, dass der jeweilige Längenabschnitt des Bandes, der für bestimmte

Aufgaben wie Kuchenbildung, Waschung oder Trockensaugen verwendet werden soll,

besser einstellbar ist als z.B. bei Drehfiltern.

Ein Nachteil des Bandfilters ist, dass weniger als die Hälfte der Filterfläche permanent

verfahrenstechnisch genutzt wird, was sich negativ auf die Kosten auswirkt.

§ Horizontale Drehfilter

Typische Anwendungsgebiete: Horizontale Drehfilter werden zur Entwässerung gut

filtrierender Suspensionen eingesetzt, wenn Bedarf nach guter Filterkuchenwaschung

besteht.


Das sogenannte Planzellenfilter besteht aus einer horizontalen rotierenden Scheibe, an

deren Oberseite die Kuchen gebildet wird. Suspensionsaufgabe, Kuchenbildung und


Trockensaugen mittels Vakuum sowie Kuchenwaschung erfolgen segmentweise, die

Filterfläche ist jedoch nicht unterteilt. Der Filterkuchen wird mit Hilfe einer

Förderschnecke ausgetragen, was zur Folge hat, dass eine Restschicht auf dem

Filtermedium verbleibt.

Kippzellenfilter sind sehr ähnlich aufgebaut. Hier sind die Scheibensegmente jedoch

voneinander getrennt und jeweils mit einem eigenen Filtertuch bespannt. Der

Kuchenabwurf erfolgt durch Kippen der Segmente mit Hilfe einer komplexen Mechanik

und wird gegebenenfalls durch einen Druckluftrückstoß unterstützt. Die aufwendige und

daher teure Konstruktion hat den Vorteil, dass keine Kuchenrestschicht auf dem Filtertuch

verbleibt und Wasch- und Mutterfiltrat besser voneinander getrennt werden können. Es

gibt Ausführungen dieses Filtertyps mit bis zu 200 m2 Filterfläche. Die hohen

Investitionskosten aufgrund der mechanischen Komplexität sind der Schwachpunkt diese

Filters.

§ Trommelfilter

Typische Anwendungsgebiete: Trommelfilter werden zur kontinuierlichen Entfeuchtung

relativ feinkörniger Suspensionen in vielen Industriezweigen eingesetzt.

Partikelgrößenbereich: ca. 1 – 200 µm bzw. 1 – 600 µm (Top-Feed); Zulaufkonzentration:

ca. 3 – 30 Vol.%

Bild 2.6: Trommelfilter (Dorr Oliver)


Das Trommelfilter ist das am weitesten verbreitete kontinuierliche Vakuumfilter. Es

besteht aus einer rotierenden Trommel, die bis kurz unterhalb ihrer Achse in einen

Suspensionstrog eintaucht. Am Trommelumfang befinden sich axial angeordnete

Filterzellen, die mit Filtertuch bespannt sind. Um ein Absetzen des Feststoffes im Trog zu

vermeiden, ist dieser meist mit Rührorganen ausgestattet. In die Filterzellen münden

Filtratrohre, die zum sogenannten Steuerkopf führen, wo je nach Drehwinkel Vakuum

oder Druckluft aufgesteuert wird. Die Rohre haben die Aufgabe das Vakuum bzw. den

Überdruck am Filtermedium anzulegen und das Filtrat abzuführen.

Während der Tauchphase einer Filterzelle wird der Kuchen gebildet. Nach dem

Auftauchen wird er gewaschen, entfeuchtet und etwa in 3-Uhr-Position der Trommel

abgenommen. Je nach Konsistenz und Dicke des Kuchens haben sich verschiedene

Abnahmevorrichtungen bewährt. Hierzu zählen Druckluftstoß, Schaber, Walzen, Ketten

und Schnüre sowie das sogenannte ablaufende Band, ein Mechanismus, bei dem das

Filtermedium von der Trommel weggeführt und nach der Kuchenabnahme und einer

Reinigung wieder angelegt wird.

Trommelfilter gibt es in sehr unterschiedlichen Ausführungen. Beim Top-Feed-

Trommelfilter erfolgt die Suspensionsaufgabe mit Hilfe eines Kastens an der Oberseite

der Trommel. Beim Innentrommelfilter liegt das Filtertuch an der Innenseite der

Trommel an und der Suspensionszulauf erfolgt ins Trommelinnere, was eine Trog

überflüssig macht.

Filterhilfsstoffe wie Perlit oder Diatomeenerde kommen beim Precoat-Trommelfilter

zum Einsatz. Eine Schicht des Filterhilfsstoffes wird entweder vor oder während der

Filtration auf die Filterfläche aufgebracht, sodass auch feinere Partikel zurückgehalten

werden können. Bei der Kuchenabnahme wird neben dem Kuchen selbst auch immer ein

Teil der Hilfsschicht abgenommen. Dieses Verfahren ist nur bei geringen

Feststoffbeladungen des Zulaufs geeignet und setzt voraus, das eine Verunreinigung des

Feststoffs mit Filterhilfsmitteln zulässig ist.

Beim Trommelfilter sind die Zyklusabschnitte Kuchenbildung, Waschung und

Entfeuchtung nicht so flexibel einstellbar wie beim Bandfilter, dafür wird ein größerer

Teil der Filterfläche verfahrenstechnisch genutzt. Dies verringert den Platzbedarf des

Gerätes und die Kosten. Da sich der Kuchen fast nie in horizontaler Lage befindet,

gestaltet sich die Kuchenwaschung beim Trommelfilter schwieriger als bei horizontalen

Vakuumfiltern. Trommelfilter werden mit Filterflächen von 0,5 bis ca. 180 m2 hergestellt

und können in vollständig gekapselter Ausführung auch mit Überdruck betrieben werden

(siehe Kapitel 2.3.4.2).


§ Scheibenfilter

Typische Anwendungsgebiete: Vakuumscheibenfilter kommen bei der Trennung relativ

gut filtrierender Suspensionen in größerem Maßstab zum Einsatz, wenn mäßige

Kuchenwaschung ausreichend ist.


Beim im Vergleich zum Trommelfilter spezifisch billigeren Scheibenfilter wird ein sehr

gutes Verhältnis von Filterfläche zu Apparatevolumen erreicht. Vertikal auf einer

rotierenden Achse angeordnete Filterscheiben tauchen bei diesem Filtertyp in einen oder

mehrere mit Suspension gefüllte Tröge ein (bis kurz unterhalb der Achse). Die

Filterscheiben sind in Sektoren unterteilt, die über durchlässige Seitenwände verfügen und

mit Filtertuch bespannt sind. Das im Inneren der Scheiben herrschende Vakuum, das wie

beim Trommelfilter mit Hilfe eine Steuerkopfes aufgesteuert wird, liefert die für die

Filtration notwendige Druckdifferenz. Das Filtrat wird über das Innere der Sektoren und

die Hohlachse abgeführt. Nachdem der Kuchen gebildet ist wird er trockengesaugt und

anschließend mittels Druckluftstoß oder Schaber abgenommen. An den vertikalen

Filterflächen ist eine Kuchenwaschung nur bedingt durchführbar. Scheibenfilter werden

mit Filterflächen von 0,5 bis zu 300 m2 hergestellt. Probleme des Scheibenfilters liegen in

unregelmäßiger Kuchenbildung entlang der Sektoren, bedingt durch unterschiedlich lange

Eintauchzeiten und Klassiereffekte im Trog. Auch die Kuchenabnahme wirft Probleme

auf, da Kuchenreste am Tuch verbleiben und das Filtertuch durch Schaber beschädigt

werden kann.

2.3.4.2 Druckfilter

Druckfilter kommen bei der Verarbeitung von Suspensionen zum Einsatz, die schlechtere

Filtrationseigenschaften besitzen als solche, die mit Vakuumfiltern getrennt werden können

(höherer Feinkornanteil), da bei Druckfiltern eine höhere treibende Druckdifferenz als bei

Vakuumfiltern zur Verfügung steht. Oft handelt es sich bei den Geräten um gasdicht

ummantelte Ausführungen der gleichen Filterbauweisen, die auch bei der Vakuumfiltration

zum Einsatz kommen. Dieses Kapitel beschreibt die wichtigsten Druckfilter.

§ Drucknutsche

Typische Anwendungsgebiete: Drucknutschen werden zur diskontinuierlichen Trennung

einer großen Bandbreite verschiedener Suspensionen eingesetzt, wenn gasdichte

Bedingungen und gute Kuchenwaschung erforderlich sind.


Die Drucknutsche ist der in Kap. 2.3.4.1 beschriebenen Vakuumnutsche im Aufbau sehr

ähnlich. Nach dem Füllvorgang wird oberhalb des Filtermediums mittels eines Kolbens

oder durch Aufschalten von Pressluft ein Überdruck erzeugt, der eine kuchenbildende

Filtration bewirkt. Ein Arbeitszyklus umfasst meist Kuchenbildung, Waschung und


Differenzdruckentfeuchtung. Die Verarbeitung toxischer, entflammbarer oder flüchtiger

Substanzen ist aufgrund der gekapselten Ausführung des Gerätes möglich.

Die meisten industriell betriebenen Drucknutschen (Filterflächen bis ca. 30 m3) sind

vollautomatisiert und verfügen über mechanische Vorrichtungen für Kuchenaustrag und

Anmaischwäsche. Die kleineren Vertreter dieses Typs werden häufig für Laborexperi-

mente eingesetzt.

§ Druckblatt- und Kerzenfilter

Typische Anwendungsgebiete: Das Einsatzgebiet dieser Filtertypen ist die diskontinuier-

liche Trennung oder Eindickung von Suspensionen, die nur wenig Feststoff enthalten und

wenig bzw. mäßig kompressible Filterkuchen bilden.

Partikelgrößenbereich: ca. 0,5 – 100 µm; Zulaufkonzentration: 0,005 – 0,5 Vol.%

(Blattfilter); 0,001 – 0,05 Vol.% (Kerzenfilter)

Bei diesem Filtertyp sind innerhalb eines Druckbehälters mehrere poröse Filterelemente

angeordnet, die mit einem Filtertuch umhüllt sind. Die Suspension wird unter Überdruck

in den Behälter gepumpt, was zu einer Filterkuchenbildung an der Außenseite der

Filterelemente führt. Das Filtrat strömt dabei ins Innere der porösen Elemente und wird

über ein Filtratsammelsystem abgezogen.

In Blattfiltern kommen flache, rechteckige oder auch runde Filterelemente zum Einsatz,

die sowohl horizontal als auch vertikal angeordnet sein können.

Bild 2.7: Rührdrucknutsche Bild 2.8: Druckblattfilter

In Kerzenfiltern werden zylindrische Elemente, sogenannte Filterkerzen, verwendet. Der

Abstand zwischen den einzelnen Elementen muss


so groß sein, dass die sich bildenden Kuchen einander nicht berühren und

zusammenwachsen können. Die Kuchenabnahme erfolgt entweder durch Rückblasen von

Filtrat oder durch Abschleudern, was durch eine Rotation der Filterelemente erzielt wird.

Der abgenommene Kuchen sammelt sich am Behälterboden und wird durch eine Öffnung

gegebenenfalls in pastösem Zustand entnommen. Falls eine intensive Waschung des

Kuchens erforderlich ist, eignen sich horizontal angeordnete Filterelemente am besten.

Die Verwendung von Precoat-Schichten auf den Filterelementen ist möglich.

§ Drucktrommelfilter

Typische Anwendungsgebiete: Drucktrommelfilter werden zur kontinuierlichen Trennung

relativ feinteiliger Suspensionen eingesetzt.


Drucktrommelfilter entsprechen in ihrem Aufbau konventionellen Trommelfiltern, sind

jedoch gasdicht ummantelt. Im Druckbehälter werden Drücke von bis zu 8 bar

aufgeschaltet. Somit ist die treibende Druckdifferenz für die Filtration im Vergleich zum

Vakuumtrommelfilter wesentlich größer. Die gekapselte Ausführung lässt zudem die

Verarbeitung toxischer und flüchtiger Substanzen zu, da diese nicht nach außen gelangen

können. Kuchenwaschung und Differenzdruckentfeuchtung lassen sich mit einem

Drucktrommelfilter gut durchführen. Für den Kuchenaustrag aus dem Druckbehälter wird

eine Feststoffschleuse benötigt.

§ Druckscheibenfilter

Typische Anwendungsgebiete: Einsatzgebiet von Druckscheibenfiltern ist die

Entwässerung relativ feinteiliger Suspensionen in größerem Maßstab, wenn keine

intensive Kuchenwaschung erforderlich ist.


Genau wie das Drucktrommelfilter unterscheidet sich das Druckscheibenfilter von der

vakuumbetriebenen Version durch eine gasdichte Ummantelung, was das Aufschalten von

Überdrücken (bis ca. 6 bar) ermöglicht. Der damit verbundenen besseren

Filtrationsleistung stehen Probleme mit dem Kuchenaustrag und höherer Investitions- und

Betriebskosten gegenüber.

§ Filterpresse

Typische Anwendungsgebiete: Diskontinuierliche oder quasikontinuierliche

Entwässerung von relativ feinkörnigen Suspensionen, wenn eine möglichst geringe

Restfeuchte erforderlich ist.


Filterpressen bestehen aus einem Paket rechteckiger Platten (bis ca. 2 m x 2 m), zwischen

denen entweder durch abwechselndes Einlegen von Rahmen (Rahmenfilterpresse) oder


durch Aussparungen in den Platten selbst (Kammerfilterpresse) Hohlräume erzeugt

werden, in denen der Filtrationsvorgang stattfindet.

Die Hohlräume sind beidseitig mit Filtertuch ausgekleidet. Bohrungen sorgen sowohl für

das Befüllen mit Suspension als auch für das Ableiten des Filtrats. Das gesamte

Plattenpaket ist an einem Querträger verschiebbar aufgehängt und kann mit Hilfe einer

Stirnwand und eines Hydraulikkolbens axial zusammengepresst werden, um die Platten

während des Befüllens und Filtrierens gegeneinander abzudichten. Die für die Filtration

notwendige Druckdifferenz wird mit einer meist volumetrisch arbeitenden

Suspensionspumpe erzeugt (bis zu 60 bar bei Hochdruckfilterpressen). Während des

Filtrationsvorganges wachsen die beiden Kuchenhälften, die in einer Kammer gebildet

werden zusammen. Kuchenwaschung (relativ große Waschflüssigkeitsmengen

erforderlich) und Trockenblasen mit Pressluft sind möglich und werden bei Bedarf

durchgeführt. Der Kuchenaustrag erfolgt gewöhnlich durch Lösen der

Plattenspannvorrichtung und Auseinanderziehen des Plattenpakets, was im Idealfall ein

problemloses Abrutschen des Kuchens zur Folge hat.

Bild 2.9: Kammerfilterpresse

In der Praxis verursacht dies jedoch oft Probleme (Abhilfe durch „Schütteln“ der Platten

oder Ausstoßen des Kuchens per Hand), weshalb die Ablöseeigenschaften des Kuchens

(Konsistenz) eine wichtige Rolle bei der Auswahl des Filtermediums spielen.


Filterpressen werden mit Filterflächen von bis zu 2000 m2 geliefert. Sie ermöglichen sehr

gute Entfeuchtungsergebnisse, sind jedoch teuer in Anschaffung und Betrieb.

§ Schichtenfilter

Typische Anwendungsgebiete: Schichtenfilter dienen zur Klarfiltration und entkeimende

Filtration großer Volumenströme flüssiger Produkte mit geringem Feststoffgehalt.

Partikelgrößenbereich: ca. 0,1 – 80 µm; Zulaufkonzentration: 0,0005 – 0,3 Vol.%

Das Schichtenfilter ist aus der Kammerfilterpresse entwickelt worden, ist aber nicht so

massiv gebaut wie diese, da es nicht zur kuchenbildenden Filtration, sondern zur

Klarfiltration eingesetzt wird. Es ist ein diskontinuierlich arbeitendes Druckfilter, bei dem

die sich abwechselnden Einlauf- und Auslaufplatten durch Filterschichten voneinander

getrennt sind. Als Filtermedien werden Tiefenfilterschichten eingesetzt (siehe Kapitel

3.4.4 Tiefenfilter). Genau wie Filterpressen besitzen Schichtenfilter eine relativ große

Filterfläche bezogen auf das Gesamtvolumen des Gerätes. Das Paket aus quadratischen

Filterplatten (0,2m x 0,2m bis 1,2m x 1,2m) wird mittels einer Spindel oder einer

Hydraulik zusammengepresst. Jede Platte ist mit zwei oder mehr Zu- und Ablaufstutzen

verbunden. In einigen Fällen ist es möglich, die mit der Zeit verstopfenden Filterschichten

teilweise zu regenerieren. Ist dies nicht möglich, werden sie ausgetauscht. Schichtenfilter

werden mit Filterflächen von 0,1 m2 bis 550 m2 und bis zu 430 Filterschichten gebaut. Die

empfohlenen Druckdifferenz liegt bei 3 bar.

2.3.4.3 Pressfilter

Bei Pressfiltern wird meist durch bewegliche Elemente ein mechanischer Pressdruck in ein

zuvor gebildetes Haufwerk eingeleitet, was dazu führt, dass dessen Hohlraumvolumen

verringert wird und die darin befindliche Flüssigkeit entweicht. Die Betriebsdrücke von

Pressfiltern reichen von ca. 2 bar bis über 100 bar bei Hochdruckpressen. Durch geringe

Kuchendicken wird die Pressentwässerung begünstigt, da die Drainagewege der

ausgepressten Flüssigkeit kürzer sind. Im folgenden Abschnitt werden gängige

Pressfiltertypen beschrieben.

§ Membranfilterpresse

Typische Anwendungsgebiete: Membranfilterpressen eignen sich zum Erzielen möglichst

geringer Restfeuchten bei schlecht filtrierenden, feinkörnigen Suspensionen.


Membranfilterpressen unterscheiden sich von konventionellen Filterpressen durch ihre

Filterplatten. Jede oder jede zweite Filterplatte ist ein- oder beidseitig mit einer flexiblen

Elastomermembran ausgerüstet. Wird der Raum hinter der Membran unter Druck gesetzt,

wölbt sie sich ins Innere der Filterkammer und presst den zuvor gebildeten Kuchen

mechanisch aus. In Kombination mit Druckluftentfeuchtung können so ca. 10 %, in


Einzelfällen sogar bis zu 25 % niedrigere Restfeuchten als mit konventionellen

Filterpressen erzielt werden. Weitere Vorteile der Membranfilterpresse sind bessere

Wasch- und Austragseigenschaften (geringerer Waschflüssigkeitsverbrauch, keine Risse

im Kuchen, festere Konsistenz) des Kuchens aufgrund der Kompression und der damit

verbundenen Konsolidierung sowie eine Verkürzung der Zykluszeiten. Nachteilig sind die

hohen Kosten, was für Filterpressen allgemein und für Membranfilterpressen

insbesondere zutrifft.

Bei der vertikalen Membranfilterpresse, dem sogenannten Pressfilterautomaten, ist das

Prinzip der Membranpresse in quasikontinuierlicher Arbeitsweise realisiert. Das

Plattenpaket ist dabei vertikal aufgestapelt und anstelle von einzelnen Filtertüchern wird

ein Endlosfiltertuch mittels eines Rollensystems periodisch zwischen den Platten bewegt.

Kuchenbildung, Waschung, Trockenblasen, Membrannachpressen und Kuchenaustrag

erfolgen vollautomatisiert, was Feststoffdurchsätze von bis zu 70 t/h ermöglicht. Die

maximale Filterfläche pro Filter beträgt ca. 65 m2. Pressfilterautomaten sind komplex und

teuer, die hohen spezifischen Durchsätze können den Einsatz jedoch rechtfertigen.

§ Siebbandpresse (Doppelbandpresse, Bandfilterpresse)

Typische Anwendungsgebiete: Siebbandpressen dienen zur kontinuierlichen

Entwässerung geflockter Suspensionen (Klärschlamm, Zellstoff, Mineralien).


Bild 2.10: Siebbandpresse (Andritz)

Siebbandpressen bestehen aus zwei endlos umlaufenden Filterbändern, die durch Rollen

geführt und gespannt werden. Geflockte Suspension wird am horizontalen Teil des

Bandes aufgegeben und verliert schon in dieser sogenannten Seihzone den Großteil des

Hohl- und Zwischenraumwassers. Die Entwässerung in der Seihzone erfolgt


ausschließlich durch Schwerkraft und wird durch Einbauten wie Pflüge oder

Rohrelemente unterstützt. In der Keilzone werden die beiden Bänder zusammengeführt

und schließen den Schlamm ein. Hier werden Drücke bis 0,2 bar erreicht. Die

Schlammkonsistenz darf nicht zu flüssig sein, um ein Zurücklaufen des Schlammes aus

dem Keil zu vermeiden. Im nächsten Geräteteil wird der Schlamm zwischen den Bändern

mit Hilfe von Walzen gepresst und geschert. Der Pressdruck liegt bei bis zu 2,5 bar.

Anschließend wird der Kuchen möglichst trocken abgeworfen. Eine Waschung sowohl

des Kuchens als auch der Filterbänder ist möglich.

Stärken der Siebbandpresse sind der einfache Aufbau (kostengünstig), der relativ geringe

Energiebedarf, hohe erreichbare Durchsätze und die kontinuierliche Betriebsweise

verbunden mit einem hohen Automatisierungsgrad. Nachteile liegen im hohen

Flockungsmittelbedarf, relativ niedrigen Pressdrücken, der Empfindlichkeit gegenüber

Schwankungen der Zulaufeigenschaften (häufig ist vor der Aufgabe eine

Homogenisierung notwendig) und in der Empfindlichkeit der Filterbänder, deren

Austausch teuer ist.

§ Röhrenfilterpresse

Typische Anwendungsgebiete: Röhrenfilterpressen kommen bei der Pressentwässerung

schlecht filtrierender Suspensionen zum Einsatz, wenn eine geringe Produktrestfeuchte

gefordert ist.


Röhrenfilterpressen bestehen aus zwei konzentrischen Röhren, einer inneren permeablen

Röhre, die mit einem Filtertuch überzogen ist, und einer äußeren undurchlässigen Röhre,

die innen mit einer Membran versehen ist. Die zu trennende Suspension wird mit Drücken

bis ca. 8 bar in den Zwischenraum gepumpt, sodass sich auf der inneren Röhre ein

Filterkuchen bildet. Dieser wird anschließend mit Hilfe der durch Druckluft aufgeblasenen

Membran mechanisch ausgepresst. Dabei werden Pressdrücke bis 100 bar erreicht

(Hochdruck-Röhrenfilterpresse). Die Kuchenabnahme erfolgt entweder durch ein

Zurückstülpen des Filtertuches oder durch einen Druckluftstoß, jeweils bei stirnseitig

geöffnetem äußeren Zylinder.

Die hohen Investitions- und Betriebskosten dieses Gerätetyps werden durch die niedrigen

erreichbaren Restfeuchten gerechtfertigt, besonders wenn der folgende Prozessschritt eine

thermische Trocknung ist.

§ Stempelpressen und Schneckenpressen

Typische Anwendungsgebiete: Der Einsatzbereich von Stempel- und Schneckenpressen

ist ebenfalls die Entwässerung feinkörniger Suspensionen bei Forderung nach niedrigen

Restfeuchten.



Stempelpressen bestehen aus einseitig perforierten Zylindern und passenden Presskolben.

Die Suspension wird in den Zylinder eingefüllt, und der Kolben presst mit hohem Druck

die Flüssigkeit durch das Filtermedium, sodass der entwässerte Kuchen zurückbleibt.

Bei der sogenannten Wringpresse (SICO-W.A.P.) befinden sich im Pressraum zusätzlich

Drainageelemente, die das Ablaufen der Flüssigkeit begünstigen (siehe Abb. 3.13). Es

werden Drücke bis 100 bar erreicht.

Bei der kontinuierlich arbeitenden Schneckenpresse wird die Suspension in eine

perforierte Röhre gefüllt, in der sich eine rotierende Schnecke befindet, deren Geometrie

(Steigung, Kanalhöhe) sich entlang der Röhre ändert.

Die Schnecke presst die Flüssigkeit nach außen und fördert unter stetig steigendem Druck

den Feststoff in Richtung des Austrages, der sich am Ende der Röhre befindet.

Schneckenpressen sind meist kompakt gehalten (Länge bis 2,5 m; Durchmesser bis 0,5 m)

und weiter verbreitet als Stempelpressen.

Bild 2. 11: Wringpresse SICO-W.A.P.

2.3.4.4 Tiefenfilter

Tiefenfilter kommen, im Gegensatz zu Oberflächenfiltern, bei der Klärung von Suspensionen

mit niedrigen Feststoffgehalten zum Einsatz. Sie sind meist gekennzeichnet durch ein dickes

Filterbett aus körnigen oder faserförmigen Materialien. Die Suspension strömt unter der

Wirkung einer Druckdifferenz durch das Filterbett, und die enthaltenen Partikeln bleiben an

den Körnern oder Fasern haften. Wenn das Filterbett zu verstopfen beginnt und damit der

Druckabfall zu groß wird, wird es durch Rückspülen von Filtrat regeneriert. Typische

spezifische Durchsätze bei diesem Apparatetyp liegen bei 5 bis 15 m3/m2h.


Das am weitesten verbreitete Tiefenfilter ist das Sandbettfilter, aber auch Faserbettfilter

finden breite Anwendung. Die treibende Druckdifferenz wird entweder hydrostatisch im

Erdfeld oder künstlich durch Pressluft erzeugt.

2.3.4.5 Membranfilter

Membranfilter werden in sogenannte Dead-End-Filter (Einwegprinzip) und Querstromfilter

unterteilt. Querstromfilter wiederum werden gemäß ihrer Membranporengröße bzw. der

Größe der abzuscheidenden Teilchen in Mikro- und Ultrafilter eingeteilt.

In konventionellen Querstromfiltern sind die Filterflächen stationär, während man bei Filtern

mit gegeneinander bewegten Filterflächen von dynamischen Filtern oder Scherspaltfiltern

spricht.

Im folgenden werden wichtige Vertreter dieser Geräteklassen beschrieben.

§ Dead-End-Filter

Anwendungsgebiete: Zur Klärung und Sterilfiltration von Suspensionen mit niedrigem

Feststoffgehalt.

Dieser Filtertyp besteht aus einem meist zylindrischen Gefäß, in dem sich aus Polymeren

hergestellte Membranen verschiedener Geometrien (Scheiben, Kerzen) befinden

(Porengrößen von 0,02 bis 10 µm). Die Filtration, welche durch einen Druckgradienten

hervorgerufen wird, findet sowohl auf der Membranoberfläche als auch in ihrem Inneren

statt. Nachdem die Membranen zugesetzt sind, werden sie ausgetauscht. Die spezifische

Durchströmungsrate von Dead-End-Membranfiltern ist kleiner als 1 m3/m2h.

§ Statische Querstromfilter

In Querstromfiltern wird die Suspension parallel zur Oberfläche einer Membran gepumpt.

Zwischen der Vorder- und der Rückseite der Membran herrscht eine Druckdifferenz, was

dazu führt, dass Permeat durch die Membran dringt und die Suspension eingedickt wird.

Die Bildung von Feststoffablagerungen auf der Membranoberfläche wird durch die

Strömung verhindert. Die eingedickte Suspension kann so lange rückgeführt werden, bis

sie gerade noch pumpfähig

ist. Diese Konsistenzstufe

stellt die Grenze der durch

Querstromfiltration er-

reichbaren Entfeuchtung

dar. Querstromfilter beste-

hen häufig aus mehreren

parallel geschalteten Filter-

modulen.

Bild 2.12: Statischer Querstromfilter


Liegt die Größe der abzuscheidenden Partikel zwischen 0,001 und 0,05 µm, so spricht

man von Ultrafiltern. Sie besitzen mikroporöse Membranen mit Porenweiten von 0,001

und 0,02 µm, die entweder aus Polymeren oder Keramik hergestellt werden. Die

spezifische Permeatdurchflussrate liegt zwischen 0,004 und 0,4 m3/m2h und der

Abscheidegrad beträgt bis 99%.

Haben die abzuscheidenden Partikel eine Größe von 0,05 bis 20 µm, kommen sogenannte

Mikrofilter mit Porenweiten von 0,02 bis 10 µm zum Einsatz. Sie unterscheiden sich von

den Ultrafiltern hauptsächlich durch den Aufbau der Membran. Die spezifische

Durchflussrate ist kleiner als 1 m3/m2h bei Drücken bis ca. 5 bar.

§ Dynamische Querstromfilter

Anwendung: Als Eindicker und Klärer, zur Prozesswasseraufbereitung z.B. in der Papier-

und Zellstoffindustrie.

In dynamischen Querstromfiltern, die auch Scherspaltfilter genannt werden, wird die

Querströmung der Suspension durch bewegte Einbauteile, die meist auch als

Filterelemente ausgeführt sind, erzeugt. Dies kann durch in einem Gehäuse rotierende

Zylinder oder Scheiben realisiert werden. Bei der in Abb. 3.15 links gezeigten Ausführung

rotieren mehrere auf einer Achse angeordnete Scheiben mit bis zu 2000 Upm.

Durch die relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten (10 - 15 m/s) wird die Suspension

geschert und ihre Viskosität erniedrigt. Dies bewirkt, dass sie weiter eingedickt werden

kann als in statischen Querstromfiltern. Dieser Filtrationstechnische Vorteil geht

allerdings mit höherem konstruktiven Aufwand und damit höheren Kosten einher.

Bild 2.13: Verschiedene Typen von dynamischen Querstromfiltern


2.3.5 Kraftfeldunterstützte Trenngeräte

2.3.5.1 Magnetfeld

Anwendungsgebiete: Abtrennung ferro- und paramagnetischer Materialien wie z.B. Erze.

Reinigung von Wasserkreisläufen von Kühl- und Prozesssystemen, die mit Eisenoxiden

verunreinigt sind.

Feststoffe mit einer hohen magnetischen Permeabilität können mit Hilfe von Trenngeräten

separiert werden, die mit Permanentmagneten ausgerüstet sind. Die magnetischen Feldstärken

sind hierbei kleiner als zwei Tesla. Der Magnetabscheider besteht im wesentlichen aus einer

Anzahl von Permanentmagnetstangen, einer Reinigungseinrichtung und einem Antrieb, die in

einem Rahmen montiert sind. Die Magnetstangen werden langsam durch die zu reinigende

Flüssigkeit bewegt und nehmen so die Partikeln auf. Anschließend wird der Feststoff mittels

spezieller Zangen abgestreift und fällt in eine Feststoffrinne, von wo er mit Hilfe einer Pumpe

abgesaugt wird. Mit Magnetabscheidern können selbst kleine (< 5µm), in Öl eingeschlossene

ferritische Teilchen mit geringem Energieaufwand wirtschaftlich abgetrennt werden.

2.3.5.2 Elektrisches Feld

Anwendungsgebiete: Unterstützung konventioneller Trenngeräte zur Erhöhung der

Filtrationsleistung und Beschleunigung der Filtrationskinetik. Klärung wässriger,

hochverdünnter Suspensionen (Hochspannung).

Elektrische Felder mit Spannungen bis ca. 120 Volt können eingesetzt werden, um

konventionelle Filter (z.B. Filterpressen) leistungsfähiger zu machen. Elektrokinetische

Effekte wie Elektrophorese (Partikelbewegung im E-Feld) und Elektroosmose (Bewegung der

Flüssigkeitsmoleküle im E-Feld) tragen, besonders bei Partikelgrößen kleiner 5µm und einem

Zetapotential kleiner -20 mV bzw. größer +20 mV, zu einer Verbesserung der

Filtrationsleistung bei. Ferner kann mit Hilfe eines E-Feldes das „Fouling“, die Verstopfung

von Filtermembranen mit organischem Material, reduziert werden.

Bei sogenannten Hoch-Gradient-Dielektrophorese-Trenngeräten (Spannung ca. 10-15 kV)

werden Partikel in der Suspension polarisiert und von der jeweils entgegengesetzt geladenen

Elektrode angezogen (Anwendung z.B. in der Biotechnologie). Die extrem hohe Spannung

bringt jedoch Probleme wie z.B. Zersetzungserscheinungen der Flüssigkeit mit sich.

2.3.5.3 Ultraschall

Ultraschall mit Frequenzen größer als 16 kHz wird eingesetzt, um eine Agglomeration der

Partikeln vor der Trennung zu beschleunigen oder um eine Verstopfung des Filtermediums

während der Filtration zu verhindern bzw. um ein verstopftes Filtermedium zu regenerieren.

Eine direkte Verbesserung der Filtrationsrate durch Ultraschall ist jedoch bis heute nur in

geringem Maß beobachtet worden. Nachgewiesenen Synergieeffekte zwischen Ultraschall

Teilziel 1 2.3.5 Kraftfeldunterstützte Trenngeräte 39

und elektrischen Feldern könnten in Zukunft Verbesserungen bei Filtrationsprozessen

bringen.

2.4 Ansätze für die Apparateauswahl in der Fest-Flüssig-

Trennung

In diesem Kapitel werden zahlreiche Ansätze für die Auswahl von FFT-Geräten kategorisiert

und beschrieben. Es handelt sich dabei um Arbeiten, die der Öffentlichkeit zugänglich sind,

d.h. es fehlen Auswahlmethoden, die innerhalb von Firmen entstanden sind und aus Gründen

des Wettbewerbs nicht preisgegeben werden. Die korrekte Auswahl von FFT-Geräten ist von

großem industriellen Interesse. Aufgrund der fast unüberschaubaren Vielfalt von

Trenngeräten und der hohen Anzahl von Faktoren, welche die Apparateauswahl beeinflussen,

stellt sie ein äußerst komplexes und schwieriges Problem dar. Keiner der Autoren, die sich

damit beschäftigt haben, nimmt daher für sich in Anspruch, eine absolut fehlerfreie und

lückenlose Auswahlmethodik entwickelt zu haben, die es auch einem Laien ermöglichen

würde, stets das am besten geeignete Gerät zu identifizieren. Vielmehr dienen die Beiträge

meist dazu, die Auswahl eines unpassenden Gerätes zu vermeiden und die Anzahl derjenigen

Geräte, mit denen schließlich aufwendige Auslegungsversuche durchgeführt werden, so

gering wie möglich zu halten. Auf Fachwissen kann nicht verzichtet werden, auch wenn die

weiter unten beschriebenen Expertensysteme einen Schritt in diese Richtung darstellen.

Die folgenden Beiträge unterscheiden sich zum Teil beträchtlich in ihrem Umfang und ihrer

Präzision und sind daher unterschiedlich brauchbar. Einige sind lediglich als grobe

Entscheidungshilfen zu verstehen, während die ausgereifteren Beiträge Labortests,

umfangreiche Datensammlungen in Tabellenform und logische Entscheidungsdiagramme

beinhalten.

Die verschiedenen Beiträge zur Apparateauswahl können in vier Kategorien eingeteilt

werden:

Kategorie 1: Allgemeine Informationen und Tabellen ohne „Ranking“

Die Einsatzgebiete und Kriterien für die verschiedenen FFT-Geräte werden beschrieben. Für

die Auswahl wichtige Faktoren und Randbedingungen werden genannt und erläutert. Viele

Arbeiten können daher als eine Art Checkliste verwendet werden. Oft werden die Geräte in

einer Tabelle bestimmten Leistungskennwerten oder Zulaufparametern (z.B. mittlere

Partikelgröße, Feststoffkonzentration im Zulauf, mittlere Kuchenbildungsrate, Anhaltswerte

für erreichbare Kuchenrestfeuchte und Filtratklarheit) gegenübergestellt.

40 2.4 Ansätze für die Apparateauswahl in der Fest-Flüssig-Trennung Teilziel 1

Kategorie 2: Vergleichende Tabellen mit „Ranking“

Den Geräten werden bezüglich bestimmter Bereiche (z.B. Restfeuchte, Filtratklarheit,

Kornzerstörung, Waschung, Kosten) Leistungsziffern zugeordnet (z.B. von –2 bis +2 oder

von 0 bis 9 bzw. in Worten von „ungeeignet“ bis „exzellent“ o.ä.), was ein Vergleichen und

Auswählen erleichtert.

Kategorie 3: Logische Diagramme, Entscheidungsbäume

Ein Schema von ja/nein-Fragen führt auf potentiell verwendbare Geräte. Als Basis dienen

zunächst Laborversuche (Filtrations- und Sedimentationsversuche) und elementare

Prozessanforderungen (Durchsatz, Ziel der Trennaufgabe, Betrieb kontinuierlich oder

chargenweise etc.). Die erhaltenen Daten werden teilweise mit Auswahltabellen verglichen.

Anschließend werden mit Hilfe von weiteren Tests und anhand einer eingehenden

Betrachtung des Prozesses und der Randbedingungen diejenigen Geräte ausgewählt, für die

sich genaue Pilot- und Auslegungsversuche lohnen.

Kategorie 4: Expertensysteme

Es gibt Ansätze, die Auswahl von FFT-Geräten mit Hilfe von Computerprogrammen, sog.

Expertensystemen durchzuführen. Durch die Eingabe von Testergebnissen aus

Laborversuchen und die genaue Definition der Prozessanforderungen ist die Software in der

Lage, potentiell anwendbare FFT-Geräte auszuwählen und zu beurteilen.

Allen Kategorien und Ansätzen ist gemeinsam, dass sie den experimentellen Aufwand bei der

Auswahl von FFT-Geräten zum Teil erheblich einschränken können. Ungeeignete Apparate

und Verfahren werden identifiziert und ausgeschlossen.

Bei der endgültigen Apparateauswahl kann auf Pilotversuche jedoch nicht verzichtet werden.

Nachfolgend werden die einzelnen Beiträge genauer beschrieben. Tabellenwerke zu den

Arbeiten befinden sich im Anhang (A2).

2.4.1 Allgemeine Informationen und Tabellen ohne „Ranking“

§ Beitrag von Flood et al. [1966]: Flood et al. nehmen die Apparateauswahl aufgrund der

Filtrations- bzw. Sedimentationseigenschaften der zu trennenden Suspension vor

(Kuchenbildungsrate, Feststoffkonzentration im Zulauf, Absetzgeschwindigkeit). Dabei

wird die Suspension einer von fünf Kategorien (schnell filtrierend, mäßig filtrierend,

langsam filtrierend, verdünnt, hochverdünnt) zugeordnet. In einer Tabelle wird dargestellt,

welche Art von Filter (Zentrifugen sind nicht behandelt) sich für die Trennung welcher

Schlammkategorien eignet.

Schwächen dieses Ansatzes liegen zum einen darin, dass der Einfluss der Partikelgröße

nicht beachtet wird (z.B. kann bei relativ großen Partikeln eine hohe Sedimentations-

geschwindigkeit bei gleichzeitig niedriger Konzentration vorliegen, was nach dem

Teilziel 1 2.4.1 Allgemeine Informationen und Tabellen ohne „Ranking“ 41

Schema von Flood et al. nicht kategorisiert werden kann), zum anderen in der begrenzten

Anzahl der betrachteten Trenngeräte.

§ Beitrag von Duffield [1967]: Auch bei diesem Ansatz wird die Zulaufsuspension, ähnlich

wie bei Flood et al., in fünf Kategorien bezüglich Feststoffkonzentration bzw.

Kuchenbildung eingeteilt. Die Einteilung erfolgt jedoch durch eine Beschreibung des

Filtrationsverhaltens mit Worten und nicht, wie bei Flood et al., mit Hilfe von

Zahlenwerten. In einer Tabelle wird wiederum dargestellt, welche der 22 erfassten Geräte

geeignet sind, bestimmte Suspensionskategorien effektiv zu trennen. Hilfreich ist, dass zu

jedem der Geräte ein Kommentar gegeben wird, der weitere Aufschlüsse über deren

Einsatzkriterien und zu beachtende Randbedingungen gibt.

§ Beitrag von Wetzel [1969]: In dieser Arbeit wird eine Reihe wichtiger Faktoren für die

Apparateauswahl aufgezählt. Daraus wird eine Art Checkliste abgeleitet, die eine

Vorauswahl von für ein Trennproblem geeigneten Apparaten ermöglichen soll. Die

Faktoren sind eingeteilt in Suspensionseigenschaften (Feststoffgehalt, Dichtedifferenz

zwischen Feststoff und Flüssigkeit, Korngrößenverteilung, Viskosität der Flüssigkeit,

Temperatur), Eigenschaften des Endproduktes (Restfeuchte, Konsistenz, Auswaschgrad

des Feststoffs, Filtratklarheit, mögliche Kornzerstörung), Behandlungsbedingungen (Gas-

und Druckdichtheit, Temperatur, Werkstoffe) und Wirtschaftlichkeit (Investitions- und

Betriebskosten).

Als Entscheidungsgrundlage dient, neben einer Tabelle, die für elf Gerätetypen den

verarbeitbaren Korngrößenbereich des Feststoffes zeigt (siehe Anhang A2-2), eine

Beschreibung dieser Gerätetypen hinsichtlich Funktion, maximalem Durchsatz,

spezifischem Energieverbrauch sowie häufiger Einsatzgebiete. Sie sind dabei nach

voraussichtlich anfallenden Kosten geordnet.

§ Beitrag von Davies [1970]: In diesem Beitrag werden Prioritäten während des

Entscheidungsprozesses aufgezeigt und Hilfestellungen gegeben, die zu einer technisch

und kommerziell befriedigenden Lösung des Trennproblems führen sollen. Dabei wird vor

allem auf die Aspekte Filtratklarheit, die durch Waschung erreichbare Reinheit und die

Restfeuchte des Filterkuchens sowie Kornzerstörung eingegangen. Als weitere, für die

Apparateauswahl wichtige Faktoren werden Automatisierbarkeit, Explosionsschutz und

Handhabbarkeit toxischer Substanzen, Arbeitsbedingungen bezüglich Druck und

Temperatur sowie die Qualifikation des Bedienungspersonals und der Kundenservice des

Herstellers genannt. Laut Davies sind jedoch die wichtigsten Parameter für die vorläufige

Apparateauswahl, neben den Prozessbedingungen Durchsatz und Betriebsweise

(kontinuierlich oder chargenweise), die Konzentration und die Partikelgrößenverteilung

des Feststoffes im Zulauf. Das Herzstück seines Leitfadens sind daher zwei Tabellen, in

denen zahlreiche Trenngeräte, sowohl Filter als auch Zentrifugen, ihren jeweils


verarbeitbaren Partikelgrößen und Feststoffkonzentrationen gegenübergestellt sind (Basus

für EDAC-Datenblatt [1979], siehe Anhang A2-1).

§ Beitrag von Hawkes [1970]: Hawkes zeigt in seiner Arbeit auf, wie der

Entscheidungsprozess für ein geeignetes Fest-Flüssig-Trenngerät strukturiert werden kann

(3 Phasen: Diskussion zwischen Anbieter und Käufer, Grundplanung, detaillierte Planung

und Problemlösung). Er zielt dabei besonders auf die Beziehung Käufer zu Verkäufer ab,

und stellt fest, dass die Apparateauswahl oft stärker vom Budget und den Gewohnheiten

des Käufers und dem Angebot des betrauten Herstellers abhängt, als von einer

gründlichen verfahrenstechnischen Analyse des Trennproblems. Ein Leitsatz dieses

Beitrages lautet: Die genaue Definition des Problems ist seine halbe Lösung. Hawkes

liefert zahlreiche Entscheidungsfaktoren (sie sind alle in Kap. 2 erläutert) und Beispiele,

immer mit starkem Bezug auf die zu erzielende Wirtschaftlichkeit des Trennsystems.

Ergänzt wird der Beitrag durch Tafeln mit groben Einsatzbereichen von verschiedenen

Geräteklassen sowie deren relative Kosten.

§ Beitrag von Day [1974]: Day beschreibt, wie mit Hilfe von Labortests die

Anwendbarkeit verschiedener Zentrifugentypen bewertet werden kann. Er weist jedoch

daraufhin, dass auf Pilotversuche und das Spezialwissen von Herstellern während des

Auswahlprozesses nicht verzichtet werden kann. Neben der Bestimmung grundlegender

Größen wie der Partikelgrößenverteilung, der Viskosität und der Dichtedifferenz zwischen

Feststoff und Flüssigkeit, schlägt Day für die Auswahl von Vollmantelzentrifugen Tests

mit einer Laborzentrifuge (ca. 1000 g) vor. Dabei werden nach bestimmten Zeitintervallen

jeweils Filtratklarheit, Kuchenbildung, Kuchenkonsistenz und Volumenanteil des

Sediments notiert. Mit Hilfe der gewonnenen Ergebnisse können relative Aussagen über

die Transportierbarkeit des Kuchens durch eine Schnecke (Dekanter) oder das

Austragsverhalten durch eine Düse (Separator) getroffen werden. Leider werden hierfür in

den beigefügten Tabellen (siehe Anhang A2-3) keinerlei quantitative Angaben gemacht.

Es handelt sich um eine empirische Vorgehensweise, die auf dem Wissen und der

Erfahrung von Spezialisten beruht.

Pilotversuche sollten nach Day durchgeführt werden, um Filtratklarheit und

Kuchenrestfeuchte in Abhängigkeit des Durchsatzes zu ermitteln und um Probleme beim

Feststoffaustrag zu erkennen und zu beseitigen. Dabei müssen Testmaschine und

Schlamm unbedingt repräsentativ für die echten Betriebsverhältnisse sein (C-Wert,

Teichtiefe, Verweilzeit, geometrische Verhältnisse; zu diesem Thema siehe auch Gösele

[1980]).

Day erwähnt zwar, dass schwer zugängliche rheologische Schlammeigenschaften wie

thixotropes oder dilatantes Verhalten einen Effekt auf wichtige Größen wie

Teilziel 1 2.4.2 Vergleichende Tabellen und Ansätze mit „Ranking“ 43

Schneckendrehmoment, Förderbarkeit und Fließverhalten des Schlammes z.B. in einem

Dekanter haben, bezieht diese jedoch nicht explizit in seinen Beitrag ein.

Für die Vorauswahl von Filterzentrifugen werden Versuche mit einem Büchner-Trichter

bzw. einer Handfilterplatte(siehe Anhang A1-1) und mit einer Laborsiebzentrifuge

empfohlen.

In Tabellen (Anhang A2-3) werden Anhaltswerte bezüglich Partikelgrößenverteilung,

Feststoffkonzentration, Verweilzeit, Durchsatz, Waschmöglichkeiten, Filtratklarheit und

Kuchenkonsistenz für den Einsatz von sowohl sedimentierenden als auch filtrierenden

Zentrifugen gegeben.

Die Werte für Die Partikelgrößenverteilung gelten für eine Flüssigkeitsviskosität von 1

kg/m*s und eine Dichtedifferenz Feststoff-Flüssigkeit von 1,6 g/cm3.

§ Beitrag von Tiller [1974]: Der Beitrag von Tiller, der in diese Kategorie fällt, befasst

sich ausschließlich mit der Kuchenbildungsrate als Auswahlkriterium für FFT-Geräte. Die

Suspensionen werden gemäß ihrer Kuchenbildungsrate, welche mittels einer

Handfilterplatte oder eines Büchner-Trichters bestimmt wird (Anhang A1-1), in vier

Klassen eingeteilt (0,1 - 10 cm/sec; 0,1 - 10 cm/min; 0,1 - 10 cm/h; vernachlässigbare

Kuchenbildung).

In einer Tabelle (siehe Anhang A2-4a) wird dargestellt, welche Apparate sich zur

Trennung welcher Suspensionsklassen eignen.

Dieser Beitrag stellt selbstverständlich kein vollwertiges Auswahlschema dar. Er kann

jedoch zur Überprüfung oder groben Vorauswahl herangezogen werden.

§ Beitrag von Trawinski [1980]: Trawinski teilt die physikalischen Parameter, welche die

Fest-Flüssig-Trennung beeinflussen in sogenannte Quantitäts- und Intensitätsparameter

ein. Quantitätsparameter beschreiben die Eigenschaften des Schlammes

(Partikelgrößenverteilung, Partikelform, Dichtedifferenz, Viskosität,

Feststoffkonzentration, Temperatur), Intensitätsparameter definieren die Stärke des

Kraftfeldes, welches die Trennung bewirkt (Zentrifugalbeschleunigung, Druckgradient

etc.). Im Beitrag werden Partikelgrößenbereiche und verarbeitbare

Feststoffkonzentrationen im Zulauf für über 30 verschiedene Trenngeräte geliefert. Die

Werte stellen dabei Empfehlungen dar und sind nicht als absolute Grenzen zu verstehen.

Weitere Beiträge stammen von Lavanchy et al. ([1964], Anhang A2-10), Emmet und

Silverblatt [1975], Dahlström [1978], Gaudfin und Sabatier [1978], Komline [1980], Anlauf

[1988] und Gasper ([2000], Anhang A2-12).

2.4.2 Vergleichende Tabellen und Ansätze mit „Ranking“

§ Beitrag von Davies [1965]: Eine Anzahl von Trenngeräten wird hinsichtlich folgender

vier Leistungsmerkmale bewertet: Erreichbare Restfeuchte, Waschmöglichkeiten,

Filtratklarheit und Kornzerstörung.


Die Skala reicht von 1-9, wobei eine 9 die beste Bewertung darstellt. Ein Strich bedeutet,

dass ein Gerät nicht bewertet werden kann (z.B. Waschung in einem Klärbecken). Die

Tabelle ist in Anhang A2-1 (rechte Spalte) dargestellt.

Dieses Bewertungsschema ist nicht als vollständige Auswahlmethodik gedacht, sondern

soll Hilfestellung bei der Beurteilung verschiedener potentiell anwendbarer Geräte geben.

Es stellt einen nützlichen Baustein für ein umfassendes Auswahlsystem dar und wurde

von Wakeman und Tarleton [1999], die einen der aktuellsten und umfassendsten

Auswahlansätze ausgearbeitet haben, übernommen.

§ Beitrag von Fitch [1974, 1977]: Fitch liefert zwei Tabellen (siehe Anhang A2-5). In der

ersten Tabelle werden die verschiedenen Trennprinzipien (Filtration, Sedimentation,

Pressung etc.) den jeweils zu bevorzugenden Zulaufeigenschaften (Feststoffkonzentration,

Feststoffeigenschaften) sowie den erreichbaren Produkteigenschaften (Filtratklarheit,

Restfeuchte, Waschmöglichkeiten) gegenübergestellt.

In der zweiten Tabelle werden die Geräteklassen selbst (z.B. Trommelfilter,

Hydrozyklone etc.) den oben genannten Merkmalen sowie den weiteren Kriterien

Energiebedarf, Platzbedarf, Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten

gegenübergestellt. Die Bewertungsskala ist vierstufig und reicht von „schlecht“ über

„mäßig“ und „gut“ bis „exzellent“.

Fitch beziffert die Wahrscheinlichkeit, mit der seine Aussagen zutreffen auf 75-85% und

räumt damit ein, dass es spezielle Anwendungsfälle gibt, für die seine Bewertungen nicht

zutreffen. Trotzdem besitzt diese Arbeit einen hohen Informationsgehalt und ist als

Baustein und Wissensquelle für eine umfassendere Auswahlmethodik gut verwendbar.

§ Beitrag von Ernst et al. [1991]: Diese Arbeit stellt ein systematisches Auswahlschema

dar, das nach Angaben des Verfasser in etwa 80% der Fälle gute Resultate liefert.

Das Schema basiert teilweise auf den Arbeiten von Purchas [1978], Tiller [1974], Fitch

[1977] und Day [1974]. Es besteht aus einem Fragenkatalog, der 6 Fragen zu den

Schlammeigenschaften und 7 Fragen zu den Prozessbedingungen beinhaltet (siehe

Anhang A2-6 a). Die möglichen Antworten sind durch Buchstaben gekennzeichnet, die in

einer umfangreichen Tabelle einer großen Anzahl von Trenngeräten gegenübergestellt

sind (siehe Anhang A2-6 b). In der Tabelle werden die einzelnen Trenngeräte hinsichtlich

der durch den Fragenkatalog ermittelten Spezifikationen des Trennproblems (Buchstaben)

bewertet. Die Bewertungsskala reicht von –2 bis +2, wobei –2 eine schlechte Leistung

und +2 eine sehr gute Leistung kennzeichnen. Ein „#“ zeigt an, dass das Gerät ungeeignet

ist. Der Benutzer hat die Möglichkeit, für seinen Anwendungsfall unerhebliche Fragen

unbeantwortet zu lassen und die entsprechenden Spalten in der Tabelle nicht zu beachten.

Diejenigen Geräte sind geeignet, welche nach Addition ihrer Bewertungspunkten die

höchste Punktzahl erreichen und bei denen gleichzeitig kein „#“ für „ungeeignet“

vorkommt.

Teilziel 1 2.4.2 Vergleichende Tabellen und Ansätze mit „Ranking“ 45

Neben den Geräten sind in der ersten Spalte der Tabelle 5 Warnhinweise aufgelistet, die

genauso wie die Geräte ausgewertet werden. Sie werden in einem separaten Textfeld

(siehe Anhang A2-6 c) erläutert und betreffen die Sedimentationsgeschwindigkeit, die

Feststoffkonzentration, den Einsatz von Filterhilfsstoffen, die Verwendung von

Voreindickern und Nachklärern (z.B. Polierfilter) sowie allgemeine Hinweise zur

Anwendbarkeit des Schemas. Falls die Auswertung ergibt, dass ein oder mehrere

Warnhinweise im betrachteten Fall relevant sind, hat sich der Anwender danach zu

richten, um brauchbare Lösungen zu erhalten.

Auch bei diesem Schema handelt es sich um ein Werkzeug zur Vorauswahl von

Trenngeräten. Weitergehende Labor- und Pilotversuche zwecks Ermittlung der

Apparategröße, der Kosten und anderer Faktoren (siehe Kap. 2) sollten laut Verfasser in

Zusammenarbeit mit dem Hersteller erfolgen. Bemerkenswert ist neben der großen

Anzahl von Trenngeräten (54 erfasste Geräte), die in diesem Schema beinhaltet sind, daß

der Verfasser zumindest teilweise auf den schwierigen Aspekt der

Apparatekombinationen eingeht (Warnhinweise).

Um die Prozedur zu beschleunigen, wurde sie in einem Computerprogramm

implementiert und könnte daher auch zu den Expertensystemen (Kap. 4.4) gezählt

werden.

§ Beitrag von Blaß und Bischofsberger [1989, 1991]: Bei dem Beitrag von Blaß et al.

handelt es sich teilweise um eine sogenannte Nutzwertanalyse (NWA). Das ist die

Analyse einer Menge komplexer Handlungsalternativen mit dem Zweck, die Elemente

dieser Menge (in diesem Fall FFT-Geräte) entsprechend der Präferenzen des

Entscheidungsträgers zu bewerten. Der Aufbau einer solchen Analyse lässt sich in

mehrere Stufen gliedern.

In der 1. Stufe werden diejenigen Eigenschaften und Merkmale identifiziert, die der

auszuwählende Trennapparat besitzen muss (z.B. kontinuierliche Betriebsweise, gasdichte

Ausführung, klares Filtrat liefern, gute Waschmöglichkeiten, gewünschter Durchsatz,

verarbeitbarer Partikelgrößenbereich etc.).

Durch Vergleich mit der sogenannten Wissensbasis, einer tabellarischen Auflistung der

Trenngeräte und ihrer Spezifikationen (siehe Anhang A2 13), werden in der 2. Stufe alle

Geräte ermittelt, welche die gestellten Voraussetzungen erfüllen. Damit ist die

Vorauswahl abgeschlossen. Mit ausgewählten Geräten beginnt nun die Durchführung der

eigentlichen Nutzwertanalyse. Die 3. Stufe besteht darin, dass das Hauptziel, nämlich den

günstigsten Trennapparat zu finden, in verschiedene Zielbereiche untergliedert wird. Dies

kann z.B. so wie Abb. 5.1 in Kapitel 5.3.1 aussehen, richtet sich aber stets nach dem

jeweiligen Trennproblem. Den einzelnen Zielbereichen Zi werden in der 4. Stufe

Gewichtungsfaktoren gi zwischen null und eins zugeordnet.


In dieser Prozedur drückt sich die Erfahrung und das Beurteilungsvermögen des

Entscheidungsträgers aus. Sie erfordert Spezialwissen, kann aber die Sensitivität der

Auswahl stark erhöhen und ist deshalb einer der entscheidenden Punkte bei der NWA.

Um den verschiedenen Trenngeräten Maßzahlen für die jeweilige Teilzielerfüllung

zuordnen zu können, müssen ihre Eigenschaften quantifiziert werden. Dies geschieht

wiederum mit Hilfe der Wissensbasis (Anhang A2-13) bzw. unter Verwendung aller

verfügbaren Informationen (Fachliteratur, Herstellerprospekte, Erfahrungsberichte etc.).

Ergebnis dieser Quantifizierung sind z.B. Aussagen wie: Gerät 1 hat einen spezifischen

Energiebedarf von 3 kWh/t, Gerät 2 von 10 kWh/t usw.

Bezüglich jedes Teilzieles werden die betrachteten Geräte in der 5. Stufe in eine

Rangfolge gebracht, wobei z.B. bei 5 anwendbaren Geräten das beste die Zahl 1, das

schlechteste die Zahl 5 erhält. In der 6. Stufe müssen nur noch für jedes Gerät die

jeweiligen Rangzahlen mit den Gewichtungsfaktoren jedes Zielbereiches multipliziert und

die Ergebnisse addiert werden, und man erhält deren sogenannte Nutzwertzahl. Das Gerät

mit der kleinsten Nutzwertzahl ist dann laut NWA das günstigste.

Das beschriebene Schema wird in Kapitel 5.3.1 konkret auf ein Schlammtrennproblem

angewandt.

2.4.3 Logische Diagramme und Entscheidungsbäume

§ Beitrag von Tiller [1974]: Tiller führt in seiner Arbeit den Begriff Fest-Flüssig-

Trennsystem ein. Eine Apparateauswahl kann nur unter Beachtung des gesamte Systems

sinnvoll erfolgen. Es besteht aus vier Teilen: (1) physikalische oder chemische Vorbe-

handlung der Suspension zwecks Vergrößerung der Partikelgröße; (2) Aufkonzentrieren

des Feststoffs mit Hilfe von Eindickern oder Klärern; (3) Haupttrennschritt in Filtern oder

Zentrifugen; (4) Nachbehandlung der Produkte durch Waschen, Entfeuchten,

mechanisches Pressen oder thermische Trocknung.

Für die Verfahrensweise in der Fest-Flüssig-Trennung gelten folgende Aussagen:

1. Die sehr große Anzahl von verschiedenen Trenngeräten, Filtermedien und

Flockungsmitteln führt dazu, dass viele Kombinationen daraus zur erfolgreichen

Lösung eines Trennproblems führen können. Somit ist die Suche nach der „einzig

richtigen Lösung“ unpraktisch, da der Aufwand hierfür zu groß wird.

2. Aufgrund der Komplexität von FFT-Problemen ist eine mathematische Beschreibung

oft unzureichend, was dazu führt, dass Experimente und Erfahrung eine dominierende

Rolle bei der Beschreibung spielen.

3. Sedimentationsgeschwindigkeit, Permeabilität und Porosität sind keine thermo-

dynamischen Zustandsgrößen und hängen somit von der Vorgeschichte des

Schlammes ab. Zudem ändern sie sich häufig mit zunehmendem Schlammalter (z.B.

bei Klärschlamm).

Teilziel 1 2.4.3 Logische Diagramme und Entscheidungsbäume 47

4. Wissen und Erfahrung bezüglich der Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit

bestimmter Trenngeräte befinden sich meist in den Händen der Hersteller und nicht

der Anwender, was die korrekte Auswahl von Trennsystemen erschwert, da

kommerzielle Interessen die verfahrenstechnische Analyse des Problems verfälschen.

5. Für Auslegung und Scale-up von Filtern existiert eine Reihe relativ einfacher

Labortests. Viele Zentrifugen dagegen müssen im Pilot- oder Großmaßstab ausgelegt

werden, da Labortests oft nur grobe Anhaltswerte liefern können.

Tillers Auswahlschema basiert auf der Kuchenbildungsrate, der seiner Meinung nach für

die Apparateauswahl wichtigsten Suspensionseigenschaft. Es werden Filter und Pressen

behandelt, nicht aber Zentrifugen. Der Anwender wird durch eine Art Entscheidungsbaum

(siehe Anhang A2-4b) geleitet, an dessen Enden sich jeweils die Lösungsmöglichkeiten

des Trennproblems befinden. An den Verzweigungen wird stets die Frage gestellt, ob

Anforderungen bezüglich Filtratklarheit, Auswaschgrad des Kuchens und Restfeuchte

zufriedenstellend erfüllt werden können oder nicht.

Das Ziel des Autors ist es, den Ingenieur auszurüsten, damit er zum einen unabhängiger

und selbständiger mit Herstellern diskutieren kann, und zum anderen in der Lage ist,

bereits im Betrieb vorhandene Trenngeräte anzupassen und zu verbessern. Der Beitrag

kann und soll jedoch nicht die Erfahrung und das Spezialwissen der Hersteller ersetzen.

§ Beitrag von Pierson [1991]: Piersons Beitrag ist ein Werkzeug für die Vorauswahl von

FFT-Geräten. Es soll sowohl verhindert werden, dass Zeit und Geld für letztlich

ungeeignete Lösungswege bzw. Geräte verschwendet wird, als auch, dass man sich mit

Altbekanntem zufrieden gibt obwohl bessere Alternativen zur Verfügung stehen.

Pierson vergleicht zunächst Sedimentation und Filtration. Er stellt fest, dass

Sedimentationsverfahren allgemein spezifisch billiger und besser für kontinuierliche und

automatisierte Betriebsweise geeignet sind als Filtrationsverfahren. Filtrationsverfahren

bieten zwar größere Einflussmöglichkeiten auf den Prozeß, dennoch empfiehlt Pierson

zuallererst zu prüfen, ob sich ein Sedimentationsverfahren zur Lösung eines gegebenen

Trennproblems eignet. Auch wenn auf einem Filtrationsschritt nicht verzichtet werden

kann, treten häufig Fälle auf, bei denen ein vorgeschalteter Sedimentationsschritt

(Eindickung) das Filter entlastet und auf diese Weise, trotz der Kombination mehrerer

Geräte, eine wirtschaftlichere Lösung des Trennproblems erzielt werden kann.

Das vorgestellt Vorauswahlschema für Sedimentationsgeräte basiert auf einfachen

Sedimentationsversuchen in einem Becherglas. Je nach Absetzzeit und

Feststoffkonzentration des betrachteten Schlammes werden bestimmte Geräteklassen

empfohlen (siehe Anhang A2-7a - d).

Zur Vorauswahl von Filtern wird ein Filtrationstest mit einem Büchner-Trichter oder einer

Handfilterplatte herangezogen. Damit kann die Einsetzbarkeit von Vakuumfiltern und


zum Teil auch die von Druckfiltern ermittelt werden. Das dazugehörige Schema ist in

Anhang A2-7e) dargestellt.

Neben den beschriebenen Vorauswahlschemata liefert Pierson in seinem Beitrag

Informationen über Filtertuchverstopfung, Konsistenz des Kuchens und Waschung.

§ Beitrag von Purchas [1978]: Die Arbeit von Purchas verbindet wenige einfache

Labortests sowie grundlegende Prozessanforderungen mit einer Art Datenbank, in der die

Merkmale der Trenngeräte tabellarisch festgehalten sind.

Der Beitrag stellt zwar ebenfalls nur eine Methode zur Vorauswahl dar, ist jedoch

benutzerfreundlich und leicht erweiterbar, weshalb er auch von anderen Autoren

(Wakeman und Tarleton [1999]) übernommen und sogar in einem Expertensystem

implementiert wurde. Der vorliegende Ansatz dient auch in dieser Arbeit, welche die

Apparateauswahl speziell bei der Schlammentwässerung näher behandelt, als Grundlage,

und wird in folgenden daher ausführlich beschrieben.

Die 1. Stufe besteht in der Spezifizierung der Prozessanforderungen (Anhang A2-8a). Sie

umfasst Angaben über den gewünschten Durchsatz, die Betriebsweise (absatzweise oder

kontinuierlich) und das Ziel der Trennung (Abtrennung und evtl. Waschung des

Feststoffs, Gewinnung von klarem Filtrat etc.). Falls andere Aspekte wie z.B. die

Handhabbarkeit toxischer, flüchtiger oder entflammbarer Substanzen (dies würde eine

gasdichte Geräteausführung notwendig machen) oder aber Keimfreiheit und CIP-

Eigenschaften (cleaning in place) von Bedeutung sind, können diese zum Schema

hinzugefügt werden.

Jeder Prozessanforderung wird ein Buchstabe zugeordnet, sodass das gesamte

Anforderungsprofil durch eine Buchstabenreihe beschrieben werden kann.

In der 2. Stufe wird mit einer Schlammprobe ein Sedimentationsversuch durchgeführt

(Beschreibung siehe Anhang A1-2). Dabei werden die Absetzgeschwindigkeit, die

Klarheit des Überstandes und der Volumenanteil des Sediments ermittelt. Falls der

Überstand zu trüb bzw. die Sedimentationsgeschwindigkeit zu gering ist, kann durch

Zugabe von Flockungsmitteln eine Verbesserung erzielt werden. Die Ergebnisse des

Sedimentationsversuches werden wiederum mit Hilfe eines Buchstabencodes gemäss

Anhang A2-8b) festgehalten.

Die 3. Stufe bildet die Ermittlung der Kuchenbildungsrate. Hierfür wird ein Labortest mit

einem Büchner-Trichter oder einer Handfilterplatte durchgeführt (Beschreibung siehe

Anhang A1-1). Bei zu langsamer Kuchenbildung wird Flockungsmittel zugegeben. Das

Ergebnis wird erneut gemäss Anhang A2-8c) durch Buchstaben festgehalten, die den

Buchstabenreihen aus Stufe 1 und 2 angeschlossen werden.

Auf diese Weise erhält man eine Buchstabenkette, die sowohl die Prozeßanforderungen

als auch die Trenneigenschaften des Schlammes beschreibt, wenn auch noch nicht im

Detail.

Teilziel 1 2.4.3 Logische Diagramme und Entscheidungsbäume 49

Durch einen Vergleich mit einer Tabelle (Anhang A2-9 a, von Wakeman und Tarleton

erweiterte Ausführung), in der, ebenfalls durch Buchstabencodes beschrieben, die

Merkmale der erfassten FFT-Geräte festgehalten sind, können nun Geräte identifiziert

werden, die eine aufwendigere Untersuchung wert sind.

§ Beitrag von Wakeman und Tarleton [1991, 1993, 1995, 1999]: Bei dem

Auswahlschema von Wakeman und Tarleton handelt es sich um eine Weiterentwicklung

des Ansatzes von Purchas (s.o.). Die prinzipielle Struktur für die Vorauswahl von

Trennapparaten, bestehend aus einem Sedimentationstest, einem Filtrationstest, einer

groben Spezifikation der Prozessanforderungen sowie dem anschließenden Vergleich der

Ergebnisse mit einer Datenbank, wurde beibehalten. Die Vorauswahl erfolgt nach wie vor

mittels eines Buchstabencodes. Der Datenteil, der aus einer Tabelle mit verschiedenen

Trenngeräten und deren Merkmalen besteht, wurde jedoch beträchtlich erweitert (Anhang

A2-9a).

Diejenigen Trenngeräte, welche die 1. Prüfung bestehen, werden in einer 2. Stufe

detaillierter betrachtet und bewertet. Das hierfür verwendetet Schema (Anhang A2-9b)

geht teilweise auf Davies [1965, 1970] zurück, wurde jedoch ebenfalls erheblich erweitert.

Die Geräte werden auf einer Skala von 1 (schlecht) bis 9 (sehr gut) hinsichtlich der

erreichbaren Restfeuchte, den Waschungsmöglichkeiten, der erreichbaren Filtratklarheit

und der Kornzerstörung bewertet. Die Bewertungstafel enthält ferner Angaben über die

Konsistenz des ausgetragenen Feststoffs (fließfähig oder fester Kuchen) sowie über

bevorzugte Partikelgrößen- und Feststoffkonzentrationsbereiche der jeweiligen Geräte.

Mit Hilfe dieser 2. Stufe soll der Anwender in der Lage sein, den Kreis der potentiell

anwendbaren Geräte weiter einzuengen. Die Vorauswahl ist an dieser Stelle

abgeschlossen.

Was nun folgt, sind aufwendigere Labortests, um mehr Informationen über das

Trennverhalten der Suspension zu gewinnen. Die Tests sind meist gerätespezifisch und

richten sich nach den in der Vorauswahl als vielversprechend eingestuften Entwässerungs-

maschinen (z.B. Laborzentrifuge für Fliehkraftverfahren etc.). Ferner werden sämtliche

Prozessanforderungen und Randbedingungen genauer betrachtet und geprüft, ob die ins

Auge gefassten Geräte diesen genügen. Ein sehr wichtiger Aspekt ist die

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der einzelnen Alternativen. Schließlich besteht das Ziel

darin, dasjenige Trenngerät auszuwählen, das die gestellten Anforderungen am

kostengünstigsten erfüllt.

Für die Auswahlschritte nach der Vorauswahl geben Wakeman und Tarleton Hinweise

und Anhaltspunkte, stellen jedoch kein Schema mehr auf. Die Zahl der Einflussfaktoren

ist zu groß und die Trennprobleme sind zu unterschiedlich, um die Endauswahl noch in

ein festes Schema einfügen zu können.


Die Verfasser zeigen in ihrem Beitrag, dass es sinnvoll ist, das Beste aus den Beiträgen

anderer Autoren zu kombinieren und zu verbessern. Auch in der vorliegenden Arbeit soll

diese Vorgehensweise aufgegriffen und am Beispiel der Klärschlammentwässerung

demonstriert werden (siehe Kap. 2.5).

2.4.4 Expertensysteme

Expertensysteme sind computergestützte Hilfsmittel für die Verfahrens- und

Apparateauswahl. Auf dem Gebiet der Fest-Flüssig-Trennung stehen solche Systeme, im

Gegensatz z.B. zur thermischen Verfahrenstechnik (Wärmeübertragung, thermische

Trennverfahren) nur sehr begrenzt zur Verfügung. Hier dominiert noch immer das

Spezialwissen einzelner Personen oder Firmen, das oft in Form sogenannter heuristischer

Ansätze vorliegt. Dabei handelt es sich um Methoden, die sich über viele Jahre hinweg aus

den Erfahrungen und dem Gespür von Spezialisten herausgebildet haben und nur sehr schwer

durch genormte Experimente und Prozeduren erfasst werden können.

Die Aufgabe eines Expertensystems besteht darin, dieses Wissen mit Hilfe eines

Computerprogramms auch solchen Anwendern zur Verfügung zu stellen, die nicht über

jahrelange Erfahrung auf speziellen Gebieten der Fest-Flüssig-Trennung verfügen.

Ein Expertensystem muss deshalb aktuelle und umfassende Informationen zu allen die

Apparateauswahl betreffenden Aspekten beinhalten und dabei gleichzeitig logisch strukturiert

und benutzerfreundlich bleiben. Nachfolgend werden wichtige Komponenten eines

Expertensystems näher beschrieben (Blaß und Bischofsberger [1991]).

§ Die Wissensbasis enthält alle erhältlichen Informationen über Entwässerungsmaschinen

und deren Einsatzkriterien. Die Angaben müssen strukturiert vorliegen und sollten eine

quantitative Bewertung erlauben. Aussagen wie „geringe Wartungsanfälligkeit“ oder

„hohe Flexibilität“ sind zu pauschal. Als Wissensquelle dienen Interviews mit Experten

bzw. Fragebögen und Fachliteratur.

§ Idealerweise ist der Wissenserwerb und die Pflege der Daten im Expertensystem in Form

einer sogenannten Wissenserwerbskomponente integriert. Solche Komponenten stehen

jedoch gegenwärtig noch nicht funktionsfähig zur Verfügung [Blaß].

§ Die Dialogkomponente regelt die Eingaben seitens des Anwenders und die Ausgaben des

Systems. Das System fragt gezielt Daten bezüglich der Suspension (diese werden meist

mit Hilfe definierter Laborversuche ermittelt) und der Prozessbedingungen ab, zeigt an,

wo Entscheidungen getroffen werden müssen und liefert Lösungsvorschläge und

Alternativen.

§ Die Problemlösungskomponente verarbeitet die Eingaben und verbindet sie mit den Daten

der Wissensbasis. Sie bildet die Umsetzung der Entscheidungsbäume und Schleifen aus

Kapitel 4.3 in der Form einer Computersoftware.

Teilziel 1 2.4.5 Schlussfolgerungen 51

Von den weiter oben beschriebenen Ansätzen wurden diejenigen von Ernst et al. und

Wakeman und Tarleton als Expertensysteme in Form einer Computersoftware erstellt.

Weitere Arbeiten auf diesem Gebiet stammen von Garg et al. [1991] und Korhonen et al.

[1989]. Bis jetzt ist jedoch lediglich das System von Wakeman und Tarleton auf dem Markt

erhältlich (pC-select).

2.4.5 Schlussfolgerungen

Die oben beschriebenen Beiträge zur Apparateauswahl in der FFT stellen wertvolle

Informationsquellen dar und geben das theoretische Wissen und die Erfahrungen der

jeweiligen Verfasser wieder. Auch wenn die meisten Beiträge für sich genommen nicht

ausreichend sind, um eine sichere Apparateauswahl vornehmen zu können, enthalten sie

Daten und Vorgehensweisen, die als Bausteine einer umfassenden Auswahlmethodik sehr

nützlich sein können. Kein Auswahlschema kommt ohne detaillierte Informationen über die

verschiedenen Trenngeräte und deren Einsatzkriterien und Spezifikationen, die sogenannte

Wissensbasis aus. Um die Vollständigkeit und Qualität dieser Wissensbasis zu steigern,

müssen alle verfügbaren Daten erfasst werden, gleichgültig aus welcher Kategorie von

Auswahlansätzen oder anderer Literatur (z.B. Herstellerprospekte) sie stammen. Der Zugriff

auf die Wissensbasis muss mit Hilfe eines logischen Schemas erfolgen, um eine effektive

Selektion günstiger Apparate zu gewährleisten. In diesem Schema müssen auf verschiedenen

Prioritätsstufen die Daten des Trennproblems (Zulaufparameter, Zielgrößen bzw.

Produktparameter und Prozessbedingungen) abgefragt und mit der Wissensbasis verglichen

werden. Als Resultat sollen dann potentiell anwendbare Geräte geliefert werden, möglichst in

einer Art Rangliste. Die große Anzahl sowohl von Trenngeräten als auch von

Einflussfaktoren auf deren Auswahl bewirkt, dass Auswahlprozeduren sehr leicht zu komplex

und unübersichtlich und damit nicht mehr benutzerfreundlich werden können [Purchas, 1978].

Es ist deshalb sinnvoll, die Auswahlprozedur in eine Vor- und eine Endauswahl zu

unterteilen. Ziel der Vorauswahl ist es, mit möglichst geringem Aufwand (Zeit, Geld,

Experimente) eine möglichst geringe Zahl vielversprechender Geräte zu bestimmen, für die

der Aufwand einer genaueren Untersuchung gerechtfertigt ist. Dies hat neben der

Vereinfachung des Schemas den Vorteil, dass weniger Geld und Zeit für Alternativen

verwendet wird, die sich später als unbrauchbar erweisen (vgl. Bild 2.14).


Bild 2.14: Aufwand bei der Apparateauswahl

Während der Endauswahl werden aufwendigere Simulationen, Pilottests und

Wirtschaftlichkeitsrechnungen durchgeführt, um schließlich das insgesamt günstigste Gerät

zu identifizieren. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Spezialisten des Geräteherstellers, da

nur diese genaue Kenntnis über die Fähigkeiten und Eigenheiten ihrer Produkte besitzen.

Trotzdem ist die ideale Form eines Auswahlwerkzeuges ein computergestütztes

Expertensystem, dass es ermöglicht, ohne das Hinzuziehen von Spezialisten, das für ein

gegebenes Trennproblem am besten geeignete Trenngerät auszuwählen. Bislang sind die

wenigen in der FFT vorhandenen Expertensysteme jedoch allenfalls in der Lage, die

Vorauswahl zu erleichtern und zu beschleunigen [Blaß]. Die Erfahrung und das Gespür

menschlicher Spezialisten ist noch nicht genügend durch Laborexperimente und

Schlammparameter quantitativ erfassbar, um in Form eines Computerprogramms festgelegt

werden zu können (z.B. Transporteigenschaften des Schlammes im Dekanter).

Im folgenden Kapitel wird auf die Apparateauswahl speziell für die Entwässerung von

Klärschlamm eingegangen. Für die Vorauswahl sollen die besten Bausteine und Ansätze aus

den oben beschriebenen Beiträgen herausgegriffen und für die Schlammentwässerung

angepasst werden.

In Bild 2.15 ist nochmals die vorgeschlagene Grundstruktur einer Auswahlmethodik für FFT-

Geräte dargestellt.

Teilziel 1 2.4.5 Schlussfolgerungen 53

Bild 2.15: Übergeordnete Struktur einer Auswahlmethodik

2.5 Zur Apparateauswahl bei der Entwässerung von Schlämmen

Die Entwässerung von Schlämmen stellt eine besonders schwierige Trennaufgabe dar. Als

Schlämme werden Suspensionen mit einem hohen Feinkornanteil (Partikelgröße < 10 µm)

bezeichnet. Die Feststoffpartikeln weisen geringe Sedimentationsgeschwindigkeiten auf und

bilden kompressible Filterkuchen mit sehr hohen Filtrationswiderständen. Die kapillaren

Eintrittsdrücke solcher Haufwerke sind meist so hoch, dass eine Entfeuchtung durch

Gasdifferenzdruck nicht möglich ist. Oft ist zusätzlich die Dichtedifferenz zwischen Feststoff

und Flüssigkeit sehr gering. Daher müssen solche Schlämme in den meisten Fällen mit

Flockungsmitteln konditioniert werden, um eine einigermaßen zufriedenstellende

Entwässerung zu erreichen. Schlämme fallen in großen Mengen an, z.B. bei der Produktion

von Pigmenten, in der Biotechnologie, in der Papierindustrie und vor allem bei der

Behandlung industrieller und kommunaler Abwässer.

In diesem Kapitel wird die Apparateauswahl für die mechanische Entwässerung von Klärschlamm näher betrachtet. Hierfür werden anhand von in Kapitel 4 vorgestellten

54 2.5 Zur Apparateauswahl bei der Entwässerung von Schlämmen Teilziel 1

Methoden zunächst vielversprechende Geräte identifiziert (Vorauswahl, Kapitel 0). Anschließend werden Überlegungen angestellt, die dazu beitragen sollen, aus potentiell anwendbaren Geräten die günstigsten auszuwählen (Endauswahl, Kapitel 2.5.3). Der erste Schritt bei der Apparateauswahl besteht in der möglichst genauen Beschreibung des vorliegenden Trennproblems. Sowohl die Eigenschaften des zu entwässernden Schlammes als auch das genaue Ziel des Trennschrittes sowie die Prozessbedingungen müssen hierzu so detailliert wie möglich erfasst werden.

2.5.1 Beschreibung des Trennproblems

In Deutschland fällt jährlich eine Klärschlammmenge von etwa 3 Mio. Tonnen Trockensubstanz an. Der Klärschlamm stammt sowohl aus der Industrie als auch aus privaten Haushalten. Die möglichst weitgehende mechanische Abtrennung des Schlammwassers stellt angesichts des noch immer steigenden jährlichen Klärschlammaufkommens und immer strenger werdender gesetzlicher Vorschriften für dessen Entsorgung eine unumgängliche Notwendigkeit dar. So werden in nächster Zukunft wohl nur noch die Verbrennung mit nachfolgender Ablagerung der dabei anfallenden Reststoffe und die mit strengen Auflagen versehene landwirtschaftliche Verwertung als Entsorgungswege für Klärschlamm übrigbleiben [Leschber, ATV-Handbuch Klärschlamm]. Neben der Beseitigung organischer und anorganischer Schadstoffe (z.B. Krankheitserreger, Schwermetalle) ist dabei ein möglichst geringer Wassergehalt des Klärschlammes eine der wichtigsten Voraussetzungen. Die Verfahrenskette bei der Klärschlammbehandlung beinhaltet folgende Schritte: § Biologische, chemische oder thermische Stabilisierung: Ziel ist es, den Anteil

organischer Substanzen im Klärschlamm zu verringern, was dazu führt, dass sich die Gesamtschlammmenge reduziert und Krankheitserreger sowie geruchsbildende Stoffe abgebaut werden. Zudem verbessert sich die Entwässerbarkeit des Schlammes und man erhält ein lagerungsfähiges Gut (unstabilisierter Klärschlamm ist aufgrund seines hohen Anteils an Mikroorganismen ein stark veränderliches Produkt, was Probleme bei der Entwässerung verursacht). Die Art und Dauer der Stabilisierungs ist von großer Bedeutung für die mechanische Entwässerung [Leschber, ATV-Handbuch Klärschlamm], kann an dieser Stelle jedoch nicht ausführlich behandelt werden.

§ Eindickung: Die Eindickung von Klärschlamm erfolgt meist in statischen Eindickern wie z.B. Rundklärbecken (Kapitel 2.3.1), kann aber auch mit Maschinen (z.B. Dekantern) durchgeführt werden. Ziel der Eindickung ist es, bessere Voraussetzungen für die mechanische Entwässerung und die thermische Trocknung zu schaffen, indem dem Schlamm ein möglichst großer Teil seines leicht abtrennbaren Zwischenwassers entzogen wird. Auf diese Weise werden nachfolgende Entwässerungsmaschinen und Trockner entlastet.

§ Mechanische Entwässerung: In diesem Schritt wird eine möglichst weitgehende maschinelle Entfeuchtung des Klärschlammes angestrebt. Hierzu kann eine Reihe von verschiedenen Trenngeräten eingesetzt werden. Da das thermische Abtrennen des Schlammwassers wesentlich teurer ist, kommt dieser Stufe eine große ökonomische Bedeutung zu, da schon eine geringfügige Restfeuchteerniedrigung eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten kann.

Teilziel 1 2.5.1 Beschreibung des Trennproblems 55

§ Thermische Trocknung, Verbrennung: Die thermische Trocknung ist der energetisch aufwendigste und teuerste Schritt in der Klärschlammbehandlung. Sie wird angewendet, wenn der geforderte niedrige Wassergehalt des Produktes durch mechanische Entfeuchtung nicht erreicht werden kann.

Das vorliegende Kapitel bezieht sich auf den 3. Schritt, die mechanische Klärschlamm-entwässerung mit Hilfe von Filtern oder Zentrifugen. Bei dem zu entwässernden Ausgangsmaterial handelt es sich um Klärschlamm, der bereits eine Stabilisierungs- und eine Eindickungsstufe durchlaufen hat. Die nachfolgend angewendeten Methoden wären jedoch prinzipiell auch auf den 2. Schritt, die Schlammeindickung anwendbar, sofern man entsprechend geänderte Zulauf- und Produkteigenschaften vorgibt.

2.5.1.1 Schlammeigenschaften

Die Zusammensetzung von Klärschlamm ist je nach Herkunft (Industrie, Haushalt)

verschieden. Zudem fällt er nicht einheitlich an, sondern weist z.B. je nach Jahreszeit

unterschiedliche Eigenschaften auf. Der hohe Anteil an Biomasse (u.a. Mikroorganismen)

bewirkt, dass sich der Schlamm mit der Zeit verändert, was durch eine Stabilisierung

teilweise eingedämmt werden kann. Aus diesen Gründen schwanken die

Schlammeigenschaften in relativ weiten Grenzen und es können nur Anhaltswerte bzw.

Durchschnittswerte angegeben werden .

Kommunaler Klärschlamm besteht hauptsächlich aus toten und lebenden Mikroorganismen,

Sand, Wurmeiern, Schleimstoffen sowie Salzen und Phosphaten. Der Anteil organischer

Substanzen, der durch den sogenannten Glühverlust (verglühbarer Teil des Feststoffes)

beschrieben werden kann, beträgt ca. 50 – 70 % der Gesamtfeststoffmasse. Die Dichte der

Partikeln biologischen Ursprungs beträgt nahezu 1 g/cm3, da sie häufig mit Wasser gefüllt

sind. Die Dichte der anorganischen Substanzen beträgt ca. 2 – 2,5 g/cm3. Ein großer Teil der

Partikeln liegt im kolloidalen Bereich (1 – 200 µm) vor, weshalb das Wasserbindevermögen

von Klärschlamm sehr groß ist. Die Kornverteilung von stabilisiertem Klärschlamm ist breit

und reicht von Bruchteilen von µm bis über 1 mm. Die mittlere Partikelgröße liegt häufig im

Bereich zwischen 6 – 10 µm. Allgemein gestaltet sich die Partikelgrößenanalyse schwierig

und die Ergebnisse hängen von der verwendeten Messtechnik ab [Luggen]. Typische

Trockenmassenanteile für Primärschlamm bzw. ausgefaulten Schlamm liegen zwischen 4 und

9 %. Der spezifische Filtrationswiderstand liegt meist im Bereich von 1011 – 1013 m/kg. Der

pH-Wert von Klärschlamm kann je nach Fäulnisgrad zwischen 6 und 7,5 schwanken, liegt

jedoch im allgemeinen bei 7 [Leschber, ATV-Handbuch Klärschlamm].

2.5.1.2 Trennziel und Produkteigenschaften

Klärschlamm ist ein Restprodukt, dessen man sich auf möglichst kostengünstige Weise

entledigen möchte. Weder der Feststoff noch die Flüssigkeit besitzen einen besonders hohen

Wert. Um Energie und damit Kosten bei der anschließenden thermischen Trocknung zu


sparen und die Verbrennbarkeit oder Deponierfähigkeit des Schlammes zu gewährleisten,

muss der Schlamm entwässert werden. Ziel der Trennung ist also das Erreichen einer

geforderten Mindestrestfeuchte zu den kostengünstigsten Bedingungen. Eine Waschung des

Feststoffes wird nicht durchgeführt. Das Filtrat bzw. das Zentrat soll möglichst unbelastet mit

Feststoff und Schadstoffen sein.

2.5.1.3 Prozessanforderungen und Randbedingungen

Klärschlamm fällt in großen Mengen an, d.h. die zu verarbeitenden Durchsätze sind relativ

hoch. Eine kontinuierliche Entwässerung ist nicht zwingend, stellt aber meist die

kostengünstigere Alternative dar. Um ausreichend niedrige Restfeuchten zu erzielen, ist der

Einsatz von Zusatzstoffen (Flockungsmittel, Filterhilfsmittel) nicht nur zulässig, sondern in

den meisten Fällen unumgänglich. Aufgrund der Geruchsbelastung und der Anwesenheit von

Krankheitserregern und toxischen Stoffen im Klärschlamm ist eine gekapselte Ausführung

der verwendeten Trenngeräte vorteilhaft. Die Belastung ist jedoch nicht so hoch, das

Gasdichtheit eine zwingende Prozessanforderung darstellt.

Tabelle 2.1: Konsistenz von Klärschlamm in Abhängigkeit der Restfeuchte [Leschber, ATV]

Restfeuchte Beschaffenheit

> 85 % flüssig, pumpfähig

75 – 65 % i.a. stichfest, breiartig, schmierend

< 65 – 60 % krümelig-fest

< 40 – 35 % rieselfähig, beständig fest

< 15 – 10 % staubförmig

Wie bereits erwähnt, sollte das Produkt eine möglichst niedrige Restfeuchte aufweisen. Die

von der Restfeuchte abhängige Konsistenz des Klärschlammes ist in Tabelle 2.1 dargestellt.

Sie ist nach Verlassen des Trenngerätes prozesstechnisch meist sekundär, d.h. es besteht keine

zwingende Forderung nach einem pump- oder rieselfähigen Produkt. Hinsichtlich der

Deponierfähigkeit spielt die Konsistenz jedoch wie erwähnt eine große Rolle

(Flügelscherfestigkeit). Temperatur, pH-Wert sowie die Zusammensetzung des Schlammes

erfordern keine außergewöhnlichen Korrosions- oder Verschleißschutzmaßnahmen. Robuste

und beständige Ausführungen der Trenngeräte ist jedoch eine Grundvoraussetzung für den

Einsatz in Kläranlagen. Produktwechsel finden nicht statt. Einstellbarkeit des Gerätes bzw.

Unempfindlichkeit gegen Schwankungen der Zulaufeigenschaften sind jedoch von Vorteil.

Ein möglichst geringer Platzbedarf ist ebenfalls günstig.

2.5.2 Vorauswahl

Nachfolgend wird eine Vorauswahl durchgeführt, mit dem Ziel, aus der großen Anzahl von

FFT-Geräten diejenigen auszuwählen, die prinzipiell für die Entwässerung von Klärschlamm

Teilziel 1 2.5.2 Vorauswahl 57

geeignet sind. Um den Aufwand gering zu halten, werden an dieser Stelle noch nicht alle

erfassbaren Schlammparameter und Prozessanforderungen berücksichtigt, was zur Folge hat,

dass zunächst relativ viele Geräte als geeignet eingestuft werden können. Ihre Anzahl wird

sich im weiteren Auswahlprozess verringern.

Als Werkzeuge zur Vorauswahl sollen die vergleichsweise umfassenden und ausgereiften

Prozeduren von Wakeman und Tarleton, Ernst et al. sowie von Blaß und Bischofsberger

herangezogen werden, die in Kapitel 4 beschrieben wurden. Zusätzlich werden die Resultate,

d. h. die ausgewählten Geräte, anhand von Informationen aus weiteren Beiträgen (z.B. Tiller,

Pierson, Davies etc.) überprüft.

2.5.2.1 Praktische Durchführung

§ Vorauswahl nach Wakeman und Tarleton (Purchas) [1999]

Wie bereits beschrieben besteht dieses Auswahlschema zunächst in der verkürzten

Beschreibung des Trennproblems (Prozess, Sedimentationseigenschaften, Filtrations-

eigenschaften) mittels eines Buchstabencodes und dem anschließenden Vergleich mit

einer Tabelle, welche die jeweiligen Eignungscodes der Trenngeräte enthält (siehe

Anhang A2-9a). Für das vorliegende Trennproblem „Klärschlamm“ ergeben sich nach

Anhang A2-8a) bis c) folgende Aussagen bzw. Buchstaben:

Prozess

Durchsatz: mittel bis hoch (10 – 100 m3/h) a oder b

Betriebsweise: kontinuierlich oder diskontinuierlich d oder e

Trennziel: Abtrennen von ungewaschenem Feststoff g

Sedimentation

Sedimentationsrate: gering (0,1 cm/s oder weniger) A

Klarheit des Überstandes: schlecht D

Sedimentvolumenanteil

am Schlammvolumen: mittel (2 – 20 %) G

Filtration

Kuchenbildungsrate: langsam (einige cm/h) J

Nach Vergleich mit der in Anhang A2-9a) dargestellten Tabelle folgt daraus, dass

folgende Trenngeräte zunächst als geeignet eingestuft werden (Gerätebeschreibungen in

Kapitel 3; Eindicker wurden nicht berücksichtigt, Reihenfolge alphabetisch):


Dekanter Röhrenfilterpresse

Druckblattfilter Scherspaltfilter (m.E.*)

Drucknutschenfilter Separator

Druckscheibenfilter (m.E.*) Siebbandpresse (m.E.*)

Drucktrommelfilter (m.E.*) Turmpresse

Filterpresse Vakuumbandfilter

Kerzenfilter Vakuumblattfilter

Sedimentierende Korbzentrifuge (m.E.*) Vakuumkippzellenfilter

Membranfilterpresse Vakuumscheibenfilter

Pendelzentrifuge (m.E.*) Vakuumtrommelfilter

Querstrommikrofilter (m.E.*)

*(m.E.): mit Einschränkungen

Im nächsten Vorauswahlschritt wird mit Hilfe der in Anhang A2-9b) dargestellten Tabelle

überprüft, ob die verarbeitbaren Partikelgrößen- und Feststoffkonzentrations-bereiche der

ausgewählten Geräte mit den Daten des vorliegenden Trennproblems übereinstimmen.

Wie in Kapitel 5.1 erwähnt, liegt die Feststoffkonzentration von Klärschlamm meist

zwischen 4 und 9 % Trockensubstanz und die Partikelgrößen reichen von Bruchteilen von

µm bis über 1 mm mit einem hohen Anteil zwischen 0 und 200 µm. Zusätzlich wird in

Anhang A2-9b) eine Bewertung (von 1 „schlecht“ bis 9 „sehr gut“) der Trenngeräte

hinsichtlich erreichbarer Restfeuchte, Filtratklarheit, Waschmöglichkeiten und

Kornzerstörung durchgeführt. Da ein Kuchenwaschung nicht durchgeführt wird, entfällt

dieser Punkt bei der Bewertung. Tabelle 5.2 zeigt die verbleibenden Geräte und ihre

Bewertung.

Filterpressen werden zusammen mit Drucknutschen und Siebbandpressen am besten

bewertet, gefolgt von Trommelfiltern, Turmpressen und Scheibenfiltern. Querstromfilter

fallen in der Bewertung aufgrund der hohen Produktrestfeuchte ab. Am wenigsten

Bewertungspunkte erhält der Dekanter aufgrund mäßiger erreichbarer Endrestfeuchte und

Filtratklarheit sowie der auftretenden Kornzerstörung (einzige verbliebene Zentrifuge).

Diese vorläufige Bewertung lässt jedoch zum einen wichtige Faktoren außer acht, die für

den Einsatz eines Dekanters sprechen (siehe Kapitel 2.5.3.1), zum anderen wurde der

Bewertungsunterschied hinsichtlich Restfeuchte und Filtratklarheit gegenüber

Filterpressen relativ hoch angesetzt.


Tabelle 2.2: Vorauswahl und Bewertung (1Probleme bei zu großen Partikeln)

Trenngerät Restfeuchte Filtratklarheit Kornzerstörung ∑∑

Membranfilterpresse 8 8 7 23

Filterpresse1 6 8 8 22

Drucknutschenfilter 6 8 8 22

Röhrenfilterpresse 8 7 7 22

Siebbandpresse 8 7 7 22

Vakuumtrommelfilter 6 7 8 21

Turmpresse 6 7 7 20

Vakuumscheibenfilter 4 6 8 18

Querstrommikrofilter1 1 9 6 16

Scherspaltfilter1 2 6 4 12

Dekanter 4 4 3 11

§ Vorauswahl nach Ernst et al. [1991]

Ähnlich wie Wakeman und Tarleton verwenden Ernst et al. eine Buchstabenfolge, um das

vorliegende Trennproblem zu erfassen. Dabei wird in einem Fragenkatalog, der sich mit

den Schlammeigenschaften und den Prozessbedingungen befasst (Anhang A2-6a), jeder

Antwort ein bestimmter Buchstabe zugeordnet. In einer Tabelle (Anhang A2-6b) werden

anschließend die Trenngeräte den durch die Buchstaben gekennzeichneten Schlamm- und

Prozessparametern gegenübergestellt und bewertet (genaue Beschreibung der

Auswahlmethodik siehe Kapitel 2.4.2). Die Auswertung des Fragenkataloges für das

Trennproblem „Klärschlamm“ ergibt folgende Ergebnisse:

Sedimentationsrate der Partikeln 0,1 cm/s oder kleiner E oder F

Feststoffkonzentration im Zulauf > 4 Gew.-% G

Flüssigkeitsdampfdruck < 0,2 bar KE*

Durchsatz 100 – 1100 l/min oder mehr L oder M

Explosive, toxische Stoffe anwesend? Nein bzw. bedingt KE*

Emulgiertes Öl anwesend? Nein KE*

Trennziel Feststoffgewinnung Q

Filterhilfsstoffe zulässig? Ja R

Einwegfiltermedien verwendbar? Ja (nicht relevant) KE*

Konsistenz des Feststoffaustrages? Keine Vorgabe, mögl. trocken KE*

Filtratklarheit kritisch für Prozess

bzw. Waschung erforderlich? Nein KE*

Zulaufrate konstant? Ja KE*


Gewünschte Betriebsweise

(kontinuierlich oder diskontinuierlich)? Keine zwingenden Vorgaben KE*

*KE: Kein Einfluss auf die Apparateauswahl

Nach Vergleich mit oben genannter Tabelle stellen sich folgende Trenngeräte als geeignet

heraus (Reihenfolge alphabetisch, ohne Wertung):

Blattfilter (Druck, Vakuum) Schneckenpresse

Dekanter Siebbandpresse

Drucktrommelfilter Vakuumbandfilter

Filterpresse Vakuumscheibenfilter

Membranfilterpresse Vakuumtrommelfilter

Röhrenpresse

Ernst et al. geben zusätzlich Warnhinweise (Anhang A2-6c), um Fehler bei der

Anwendung des Auswahlschemas zu vermeiden und um auf kritische Punkte

hinzuweisen. Bei der Auswertung zeigt sich, dass besonders die Warnhinweise 1, 2 und 5

beachtet werden müssen. Dies bedeutet zum einen, dass Apparatekombinationen

(Voreindicker) in Betracht gezogen werden sollten, was im Falle von Klärschlamm jedoch

sowieso vorausgesetzt wurde. Zum anderen könnten bei Suspensionen mit hohem

Feinkornanteil, was auf Klärschlamm zutrifft, Fehler bei der Apparateauswahl auftreten,

da im Schema getroffenen Voraussetzungen und Annahmen ihre Gültigkeit verlieren. In

diesem Zusammenhang ist die durch das Schema angezeigte Eignung von

Vakuumbandfiltern als kritisch zu betrachten, da dieser Gerätetyp oft nicht für die

Entwässerung schlecht filtrierender Suspensionen geeignet ist.

§ Vorauswahl nach Blaß und Bischofsberger [1989, 1999]

In diesem Abschnitt wird der 1. Teil des in Kapitel 4.2 ausführlich beschriebenen

Auswahlverfahrens von Blaß und Bischofsberger auf die Entwässerung von Klärschlamm

angewendet. Der 2. Teil wird in Kapitel 2.5.3.1 (Nutzwertanalyse) aufgegriffen.

Die Analyse des Trennproblems (siehe Kapitel 2.5.1) fördert folgende Bedingungen

zutage, die von den auszuwählenden Trennapparaten zu bewältigen sind:

o Bewältigung eines Durchsatzes von ca. 50 m3/h oder mehr.

o Verarbeitung einer Suspension mit einem Feststoffgehalt von 4 – 9 %

o Trennung einer schlecht filtrierenden Suspension mit einer breiten Kornverteilung und

einer mittleren Partikelgröße um 10 µm .

o Es ist keine Waschung des Feststoffs erforderlich.


o Kontinuierlich Betriebsweise wird bevorzugt, ist aber nicht zwingend.

o Gekapselte Geräteausführung ist von Vorteil.

o Erreichen einer möglichst geringen Restfeuchte zu kostengünstigen Konditionen.

o Das Filtrat soll so klar wie möglich sein

Mit Hilfe der sogenannten Wissensbasis, einer tabellarischen Darstellung der Trenngeräte

und ihrer Spezifikationen (siehe Anhang A2-13), können anhand dieser Informationen

folgende Trenngeräte als geeignet eingestuft werden (Reihenfolge alphabetisch, ohne

Wertung):

Blattfilter Röhrenpresse

Dekanter Schälzentrifuge

Kammerfilterpresse Siebbandpresse

Membranfilterpresse Siphonschälzentrifuge

Rahmenfilterpresse Vakuumtrommelfilter

2.5.2.2 Schlussfolgerungen

Folgende Gerätetypen werden von allen drei angewendeten Auswahlmethoden als für die

Klärschlammentwässerung prinzipiell geeignet eingestuft: Trommelfilter, Filterpressen (in

allen Ausführungen), Siebbandpressen, Röhrenfilterpressen und Dekanter. Dieses Ergebnis

kann durch Arbeiten von Davies (Anhang A2-1), Pierson (Anhang A2-7) und Tiller (Anhang

A2-4) gestützt werden.

Scheibenfilter und Blattfilter werden jeweils von zwei Auswahlansätzen als geeignet beurteilt.

Querstromfilter können nach Wakeman und Tarleton ebenfalls eingesetzt werden, ihre

Schwäche liegt jedoch in der gegenüber anderen Trenngeräten höheren Produktrestfeuchte, da

ein fließfähiger Schlamm ausgetragen werden muss. Sie kommen daher eher als hochwertige

Eindicker in Frage. Drucknutschen eignen sich zwar prinzipiell zur Entwässerung von

Klärschlamm, sind jedoch im betrachteten Fall nicht wirtschaftlich. Ihr Anwendungsgebiet

liegt in der Verarbeitung höherwertiger Substanzen. Der Einsatz von Schneckenpressen

erfordert eine relativ hohe Feststoffkonzentration, um ein Zurückfließen des Schlammes in

der Schneckenröhre zu vermeiden. Ähnliches gilt für Siebbandpressen, auch hier muss der

Kuchen eine gewisse Konsistenz aufweisen, um in der Keilzone nicht zu fließen.

Schälzentrifugen (Blaß und Bischofsberger) können nur für die Entwässerung körnigerer

industrieller Schlämme eingesetzt werden, da städtischer Klärschlamm in der Regel zu

undurchlässig ist und der Siebmantel verstopft wird [ATV-Handbuch Klärschlamm]. Mit

Hochdruckapparaten wie Hochdruck-Röhrenfilterpressen, Hochdruckbandpressen,

Stempelpressen und Wringpressen (teilweise nicht in den Auswahlschemata enthalten) ist es

möglich, geringere Restfeuchten zu erzielen als mit konventionellen Entwässerungs-


maschinen. Sie arbeiten mit geringen Kuchendicken und Drücken bis ca. 100 bar. Auf den

Einsatz von Hochdruckapparaten wird in Kapitel 2.5.3.2 näher eingegangen.

Die in der Praxis am häufigsten zur Klärschlammentwässerung eingesetzten Trenngeräte sind

Filterpressen, Siebbandpressen und Dekanter. Aufgrund der in der Vorauswahl erhaltenen

Ergebnisse lässt sich daher festhalten, dass die beschriebenen Methoden geeignet sind,

potentiell anwendbare Geräte zu identifizieren.

2.5.3 Endauswahl

Die Vorauswahl hat gezeigt, dass mehrere Typen von FFT-Geräten für die Entwässerung von

Klärschlamm in Frage kommen. In der Endauswahl soll durch eine detaillierte Betrachtung

des Trennproblems geklärt werden, welche der ausgewählten Geräte besser geeignet sind als

andere bzw. welche Schritte unternommen werden können, um die Auswahl weiter

einzuengen. Dies geschieht einerseits mit Hilfe einer Nutzwertanalyse (Kapitel 2.5.3.1),

andererseits durch die Beschreibung weitergehender Versuche für vielversprechende

Gerätetypen (Kapitel 2.5.3.2).

Die Endauswahl erfordert einen höheren zeitlichen und experimentellen Aufwand als die

Vorauswahl, u.a. weil schwerer zugängliche Größen ermittelt werden müssen, was

komplexere bzw. größere Versuchsapparaturen erfordert.

Nachdem die prinzipielle verfahrenstechnische Eignung verschiedener Geräte nachgewiesen

ist, treten selbstverständlich die Kosten der jeweiligen Alternativen bei der Apparateauswahl

stark in den Vordergrund. Eine Wirtschaftlichkeitsrechnung bezüglich der Investitionskosten,

der Betriebskosten und der kostenmäßigen Auswirkungen auf den Gesamtprozess (vor- und

nachgeschaltete Prozessstufen) für jeden ins Auge gefassten Apparatetyp bildet einen

wesentlichen Bestandteil der endgültigen Entscheidung. Innerhalb der vorliegenden Arbeit

soll jedoch die Optimierung der Apparateauswahl unter verfahrenstechnischen

Gesichtspunkten im Vordergrund stehen. Die Wirtschaftlichkeit wird insofern betrachtet, als

die Trenngeräte hinsichtlich ihrer Anschaffungs- und Betriebskosten allgemein verglichen

werden. Offensichtlich unwirtschaftliche Alternativen sollen ausgeschlossen bzw. nicht

weiterverfolgt werden. Eine detaillierte Kostenrechnung erfordert zu viele unzugängliche

Informationen seitens der Hersteller und der Anwender und ist im Rahmen dieser Arbeit nicht

durchführbar.

2.5.3.1 Nutzwertanalyse

In diesem Abschnitt wird das Hauptziel der Apparateauswahl, nämlich die zur Lösung des

vorliegenden Trennproblems der Klärschlammentwässerung günstigsten Apparate zu finden,

in Teilziele untergliedert und diese anschließend hinsichtlich ihrer Bedeutung für das

Hauptziel gewichtet. Im nächsten Schritt werden soweit möglich, die Eigenschaften der in

Frage kommenden Geräte bezüglich ihrer Teilzielerfüllung quantifiziert und bewertet. Auf

Teilziel 1 2.5.3 Endauswahl 63

diese Weise ist es möglich, sich ein Bild darüber zu verschaffen, welche der Geräte die

gestellten Anforderungen besser erfüllen als andere.

Der prinzipielle Ablauf einer Nutzwertanalyse wurde bereits in Kapitel 2.4.2 erläutert. Die

Vorgehensweise orientiert sich an der Arbeit von Blaß [1989].

Gemäß der in Kapitel 2.5.2 getroffenen Vorauswahl werden folgende Trenngeräte näher

betrachtet:

1. Dekanter

2. Siebbandpresse

3. Vakuumtrommelfilter

4. Kammerfilterpresse

5. Membranfilterpresse

6. Hochdruck-Röhrenfilterpresse

Das Hauptziel Z1, die Identifikation des günstigsten Trenngerätes, wird wie in Bild 2.16

dargestellt, in Zielbereiche Zij und Teilziele Zijk bzw. Zijkl untergliedert.

Zielbereiche sind dabei die funktionellen und bautechnischen Apparateeigenschaften sowie

die Kosten (siehe Bild 2.16, 2. Spalte). Die Teilziele werden im Einklang mit den

gewünschten Produkteigenschaften und den Prozessanforderungen je nach vorliegendem

Trennproblem definiert. Sie sollten möglichst unabhängig voneinander sein. Aus diesem

Grund wurde z.B. auf das Teilziel „niedrige Personalkosten“ verzichtet, da es eng mit dem

Teilziel „gute Automatisierbarkeit“ zusammenhängt.

Nachfolgend werden die hier speziell für das Trennproblem „Klärschlamm“ definierten

Teilziele erläutert.

Funktionelle Apparateeigenschaften: Dasjenige Trenngerät wird als das geeignetere

eingestuft,

o das den Klärschlamm bis zu einer möglichst niedrigen Restfeuchte entwässert (Z114).

o das die abgetrennte Flüssigkeit möglichst klar austrägt (Z112).

o das im Hinblick auf Personalersparnis und Betriebssicherheit eine Automatisierung

des Trennvorganges ermöglicht (Z111).

o das möglichst unempfindlich gegen Schwankungen der Eigenschaften des zulaufenden

Klärschlammes ist (Z113).

Bautechnische Apparateeigenschaften: Dasjenige Trenngerät wird als das geeignetere

eingestuft,

o das zur Erfüllung der gestelten Trennaufgabe ein möglichst niedriges Hallenvolumen

benötigt (Z122)


o das im Hinblick auf die Geruchsbelästigung und die enthaltenen Krankheitserreger

den Klärschlamm möglichst gut gegen die Umgebung abschirmt (Z121):

Kosten: Die Kosten des auszuwählenden Trenngerätes sollen möglichst gering sein. Sie

setzen sich zusammen aus:

o Investitionskosten, und zwar für den Trennapparat selbst (Z1322) und für die benötigte

Peripherie (Pumpen, Leitungen, Steuerung, Zusatzaggregate etc.)(Z1321).

o Betriebskosten, die zu unterteilen sind in Kosten für Strom, Pressluft etc. (Z1312) und

Kosten für benötigte Flockungsmittel oder andere Hilfsmittel (Z1311)

Bild 2.16: Für das Trennproblem „Klärschlamm“ definierte Zielbereiche und Teilziele

Die einzelnen Teilziele werden gemäß Bild 2.17 mit Gewichtungsfaktoren gi zwischen null

und eins gewichtet. Jedes Kästchen steht dabei für das entsprechende Teilziel bzw. für den

entsprechenden Zielbereich. Innerhalb der Kästchen befindet sich im linken Feld jeweils die

Gewichtung bezüglich des nächst höheren Ziels, im rechten Feld ist die Gewichtung


bezüglich des Hauptziels notiert die sich durch Multiplikation der Bewertungsfaktoren bis

zum Hauptziel ergibt. So verfügt z.B. das Teilziel Z111 (Automatisierbarkeit) bezüglich des

Zielbereichs Z11 (Funktionelle Apparateeigenschaften) über die Gewichtung 0,15, bezüglich

des Hauptziels Z1 (Finden des günstigsten Trenngerätes) über die Gewichtung

0,15 * 0,4 = 0,06. Die Summe aller Faktoren, die im rechten Feld in den Kästchen am Ende

des Gewichtungsbaumes stehen ergibt eins. Sie stellen die Gewichtungen der einzelnen

Teilziele innerhalb der Nutzwertanalyse dar.

Von den definierten Teilzielen erhalten die erreichbare Restfeuchte (Z114) und die

Investitions- und Betriebskosten (Z132 und Z131) eine vergleichsweise hohe Gewichtung, da

das Ziel der Trennaufgabe die möglichst weitgehende und billige Entwässerung des

anfallenden Klärschlammes ist. Auch die Filtratklarheit (Z112) ist ein wichtiges

Prozessergebnis und wird entsprechend hoch bewertet.

Bild 2.17: Gewichtung der Teilziele bei der Bewertung von Apparaten zur Klärschlamment-

wässerung

Je nach Anwendungsfall kann die Untergliederung in Teilziele bzw. deren Gewichtung anders

ausfallen als hier gezeigt. Wie bereits in Kapitel 2.4.2 erwähnt, bilden die selbständige

Definition der Teilziele und das Festlegen der Gewichtungsfaktoren die kritischen Punkte der


Nutzwertanalyse, welche die Anwendbarkeit und die Genauigkeit dieser Methode beträchtlich

erhöhen, wofür aber auch ein gewisses Maß an Spezialwissen erforderlich ist.

Um nun die betrachteten Trenngeräte bewerten zu können, müssen ihre Eigenschaften

bezüglich der einzelnen Zielbereiche quantifiziert werden. Dabei werden den sechs zur

Auswahl stehenden Geräten Leistungsziffern von 1 (bestes Gerät bezüglich der jeweiligen

Teilzielerfüllung) bis 6 (schlechteste Teilzielerfüllung) zugeordnet. Falls eine eindeutige

Rangfolge hinsichtlich eines Teilzieles nicht erstellt werden kann, werden die

Bewertungszahlen angeglichen, jedoch stets so, dass ihre Summe jeweils 21 ergibt.

In einigen Fällen ist es nicht möglich, präzise Aussagen über die relative Leistungsfähigkeit,

die genauen Kosten oder sonstige Gerätemerkmale zu treffen. Hier gilt, dass die Menge der

zur Verfügung stehenden Informationen selbstverständlich mitentscheidend für die

Richtigkeit und die Genauigkeit einer Nutzwertanalyse ist. Falls keine Informationen

bezüglich eines oder mehrerer Teilziele vorhanden sind, müssen die Bewertungszahlen

vereinheitlicht werden oder man muss den betreffenden Bereich aus der Analyse streichen.

Tabelle 2.3: Bewertung der Trenngeräte bezüglich ihrer Teilzielerfüllung

Teilziel Index Dekanter

Vakuum-

Trommel-

filter

Siebband-

presse

Kammer-

filterpresse

Membran-

filterpresse

Hochdruck

Röhren-

filterpresse

Automatisierung Z111 2 2 2 5 5 5

Filtratklarheit Z112 5 4,5 4 2,5 2,5 2,5

Unempfindlichkeit Z113 2 5 5 3 3 3

Restfeuchte Z114 4,5 5 4,5 3,2 2,8 1

Kapselung Z121 1 3 5 5 5 2

spez.

Apparatevolumen Z122 1 5 4 2,5 2,5 6

spez.

Apparatekosten Z1322 3 2,5 2 3,5 4 6

Peripheriekosten Z1321 1,5 3,5 3,5 3 4,5 5

Energiekosten Z1312 4 3 2 3 4 5

Filterhilfsmittel-

bedarf Z1311 6 2,5 5 3 2,5 2

Die Informationen für die in Tabelle 2.3 durchgeführte Bewertung der Trenngeräte stammen

größtenteils aus Literatur, die sich mit Klärschlammaufbereitung befasst (Scordialo [1976];

Loll [1992]; Leschber, ATV-Handbuch Klärschlamm [1996]; Thomé-Kozmienski [1997]), da


die Geräteleistungen (Restfeuchte, Filtratklarheit, Flockungsmittelverbrauch) bei der

Verarbeitung anderer Produkte kaum übertragbar sind. So wird z.B. die durchschnittliche

erreichbare Klärschlammrestfeuchte bei Dekantern und Siebbandpressen auf 70 – 75 %, bei

Trommelfiltern auf < 75 %, bei Kammer- und Membranfilterpressen auf ca. 65 – 60 % und

bei Röhrenfilterpressen auf bis zu 40 % beziffert.

Für Informationen bezüglich Energiebedarf, Apparatevolumen und Apparatekosten wurden

Beiträge von Blaß [1989, 1991] (Anhang A2-13) sowie anderer in Kapitel 2.4 genannter

Autoren herangezogen. Hinsichtlich der Automatisierungsmöglichkeiten sind kontinuierliche

Geräte einheitlich besser bewertet als diskontinuierliche. Die offene Bauweise von

Siebbandpressen und Filterpressen bewirkt, dass sie bezüglich des Teilzieles „Kapselung“

schlechter bewertet werden als Dekanter und Röhrenfilterpressen. Trommelfilter liegen in der

Bewertung zwischen den genannten Gerätetypen, da hier eine Kapselung etwas weniger

aufwendig ist als bei Filterpressen.

Nachdem die Bewertung abgeschlossen ist, erfolgt die Berechnung der sogenannten

Nutzwertzahl jeder Alternative (siehe Tabelle 2.4). Hierfür werden für jedes Gerät die

Leistungszahlen mit den dazugehörigen Gewichtungsfaktoren multipliziert und anschließend

addiert. Die kleinste Nutzwertzahl zeigt die laut Nutzwertanalyse günstigste Alternative an.

Tabelle 2.4: Berechnung der Nutzwertzahlen

Dekanter

Vakuum-

trommel-

filter

Siebband-

presse

Kammer-

filterpresse

Membran-

filterpresse

Hochdruck-

Röhren-

filterpresse

Z111 * 0,06 0,12 0,12 0,12 0,3 0,3 0,3

Z112 * 0,12 0,6 0,54 0,48 0,3 0,3 0,3

Z113 * 0,06 0,12 0,3 0,3 0,18 0,18 0,18

Z114 * 0,16 0,72 0,8 0,72 0,512 0,448 0,16

Z121 * 0,12 0,12 0,36 0,6 0,6 0,6 0,24

Z122 * 0,08 0,08 0,4 0,32 0,2 0,2 0,48

Z1311 * 0,096 0,72 0,3 0,6 0,36 0,3 0,24

Z1312 * 0,064 0,48 0,36 0,24 0,36 0,48 0,6

Z1321 * 0,144 0,096 0,224 0,224 0,192 0,288 0,32

Z1322 * 0,096 0,288 0,24 0,192 0,336 0,384 0,576

∑∑ 3,344 3,644 3,796 3,34 3,48 3,396

Mit der hier vorgenommenen Zieleinteilung und Gewichtung sowie den zur Verfügung

stehenden Informationen ergibt sich, dass Dekanter und Kammerfilterpressen die für die

Klärschlammentwässerung günstigsten Trenngeräte sind. Trotz mäßigen Leistungen


hinsichtlich Restfeuchte und Filtratklarheit setzt sich der Dekanter aufgrund seiner

Vielseitigkeit, Unempfindlichkeit, des vergleichsweise geringen Platzbedarfes, der

geschlossenen Bauweise und den guten Automatisierungsmöglichkeiten durch. Nachteile

liegen im hohen Flockungsmittelverbrauch, was die Betriebskosten erhöht. Die Stärken der

Kammerfilterpresse liegen in der niedrigen erreichbaren Produktrestfeuchte und der guten

Filtratklarheit. Nachteilig sind die schlechten Automatisierungsmöglichkeiten und die offenen

Bauweise dieses Filtertyps. Membranfilterpressen sind teuer in Anschaffung und Betrieb,

gleichen diese Nachteile jedoch teilweise durch niedrige erzielbare Restfeuchtewerte aus.

Dies gilt insbesondere für die stellvertretend für alle Hochdruckapparate aufgeführte

Hochdruck-Röhrenfilterpresse, bei der hohe Investitionskosten durch exzellente

Restfeuchtewerte aufgefangen werden, sodass sie eine durchaus anwendbare Alternative

darstellt (vorausgesetzt das Erreichen einer niedrigen Produktrestfeuchte hat hohe Priorität).

Siebbandpressen werden vergleichsweise schlecht bewertet, was vor allem an ihrer

Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Zulaufeigenschaften und dem relativ hohen

Flockungsmittelverbrauch liegt (Klärschlamm muss bei der Aufgabe auf eine Siebbandpresse

eine bestimmte Konsistenz haben und zuvor homogenisiert werden). Auch die offene

Betriebsweise und der relativ hohe Platzbedarf wirken sich negativ aus. Dennoch werden

Siebbandpressen in der Praxis durchaus eingesetzt, was an ihrer Einfachheit und den

vergleichsweise geringen Investitionskosten liegen dürfte. Auch können sie relativ leicht mit

Zusatzaggregaten wie z.B. Hochdruckwalzen nachgerüstet bzw. kombiniert werden. Bei

optimaler Einstellung können mit Siebbandpressen gute Entfeuchtungsergebnisse erzielt

werden. In der Praxis liegen die Ergebnisse in der Regel jedoch deutlich unter dem optimalen

Wert [Leschber, ATV].

Trommelfilter werden ebenfalls relativ schlecht eingestuft. Tatsächlich wurden Trommelfilter

in der Abwasseraufbereitung größtenteils von Dekantern, Filterpressen oder Siebbandpressen

verdrängt. Lediglich wo Filterhilfsstoffe wie Eisenchlorid, Asche oder Kalk billig zur

Verfügung stehen, werden sie gelegentlich noch eingesetzt [Leschber, ATV]. Trommelfilter

erreichen nur mäßige Restfeuchtewerte, sind aber auch kostenmäßig im Fall der

Klärschlammentwässerung anderen Alternativen unterlegen.

Allgemein lässt sich sagen, dass alle betrachteten Geräte in einem relativ engen

Bewertungsfenster liegen, was einerseits durch die Praxis bestätigt wird, wo tatsächlich

verschiedene Typen eingesetzt werden. Zum anderen wurde im vorliegenden Fall eine

gründliche Vorauswahl getroffen, sodass ungeeignete Geräte von vorneherein ausgeschlossen

wurden. Bei anderen Trennproblemen als der Klärschlammentwässerung kann die

Nutzwertanalyse zum Teil wesentlich eindeutiger ausfallen (vgl. Blaß [1989] S. 775).

Wie erwähnt können in gewissen Anwendungsfällen aber auch die Zieluntergliederung und

die Gewichtungsfaktoren vom hier vorgeschlagenen Aussehen abweichen, sodass andere

Bewertungen zustande kommen.


Die Nutzwertanalyse ist ein gutes Hilfsmittel für die Apparateauswahl, sofern ausreichend

Informationen über das Trennproblem und vor allem über die Leistungsmerkmale und

Spezifikationen der Trenngeräte zur Verfügung stehen. Es kommt jedoch vor, dass

ausgewählte Trenngeräte im Betrieb dennoch versagen, was auf verfahrenstechnische

Vorgänge zurückzuführen ist, die von der Nutzwertanalyse nicht erfasst werden. Hierzu zählt

beispielsweise die Transportierbarkeit des Sediments in einem Dekanter, die besonders bei

feinkörnigem Material wie Klärschlamm ein großes Problem darstellen kann (Karolis [1986]).

Im folgenden Abschnitt werden für Pressfilter und Dekanter weitergehende

Auslegungsversuche beschrieben. Vor allem im Fall von Dekantern wird dabei deutlich, dass

auf Pilotversuche zurückgegriffen werden muss, da die vorhandenen Laborversuche nicht

ausreichen, um das Materialverhalten in der Maschine ausreichend vorherzusagen.

Da eine weiterführende Untersuchung des Trennproblems bzw. die durchzuführenden

Versuche sehr gerätespezifisch sind, ist es sinnvoll, die einzelnen Geräteklassen getrennt zu

betrachten.

2.5.3.2 Weiterführende Versuche

a) Pressfilter:

Das Wirkprinzip von Pressfiltern basiert auf der Einwirkung eines Druckes auf das

Feststoffgerüst eines Filterkuchens oder Sediments. Dabei hängt die Entwässerbarkeit des

Stoffsystems von dessen Kompressibilität, d.h. der Druckabhängigkeit das

Haufwerksvolumens ab. Der Druck bewirkt eine Umlagerung und gegebenenfalls eine

Deformation der Partikeln, was dazu führt, dass sich die Haufwerksporosität verringert

und in den Hohlräumen befindliche Flüssigkeit ausgepresst wird.

Im Hinblick auf die Apparateauswahl müssen diejenigen Stoffsystemeigenschaften, die

den größten Einfluss auf das Prozessergebnis besitzen und messtechnisch erfassbar sind,

identifiziert werden. Auf diese Weise soll eine Verknüpfung von

Stoffsystemeigenschaften und Prozessparametern bzw. Gerätespezifikationen ermöglicht

werden.

Während des Pressens hängt die Menge der abpressbaren Flüssigkeit von der

Porositätsänderung und der Abtransport der verdrängten Flüssigkeit vom

Kuchenwiderstand ab. Die Porositätsänderung und die Zunahme des Kuchenwiderstandes

infolge der Verdichtung des Kuchens kennzeichnen einen Auspressvorgang eindeutig

[Tittel]. Ferner ist damit eine Aussage über die Kompressibilität und die erreichbare

Entfeuchtung des Systems in Abhängigkeit des Feststoffdruckes möglich. Anders als die

Porosität und der Kuchenwiderstand, die weitgehend vom lokalen Feststoffgerüstdruck

abhängen [Tiller] und somit entlang der Kuchenhöhe verschieden sind (höherer

Verdichtung und größerer Filtrationswiderstand in der Nähe des Filtermediums), ist die

Kompressibilität eine integrale Haufwerkseigenschaft. Laut Tittel ist es günstiger, das


Auspressverhalten eines Stoffsystems zunächst über integrale Eigenschaften wie die

Kompressibilität zu kennzeichnen, da die Eigenschaften mit Verteilungscharakter

(Partikelgrößenverteilung, Porosität, Struktur der Schüttschicht, Grenzflächen-

eigenschaften etc.) in komplexer Wechselwirkung zueinander stehen und daher

messtechnisch kaum einzeln erfassbar sind. Die Kenntnis des Einflusses der lokalen

Haufwerkseigenschaften auf das Prozessergebnis wäre für eine physikalisch begründete

Modellierung zwar nötig, der hierfür erforderliche Aufwand ist jedoch für den zu

erwartenden Informationsgewinn zu hoch.

Die Abhängigkeit der Porosität und des Filtrationswiderstandes vom Feststoffgerüstdruck

lassen sich u. a. durch den Ansatz von Shirato [1979] beschreiben (siehe die Gleichungen

(5.1) und (5.2)).

(5.1)

(5.2)

Hierbei ist ε die Porosität, ε0 die Anfangsporosität, pS der Feststoffgerüstdruck, pS,0 der

Anfangsgerüstdruck, α der massenspezifische Kuchenwiderstand, α0 der

Anfangskuchenwiderstand, β der Kompressibilitätskoeffizient der Porosität und n der

Kompressibilitätskoeffizient des Kuchenwiderstands.

Die Summe (n + β) der Exponenten aus den Gleichungen (5.1) und (5.2) wird sowohl von

Tiller und Hsyung [1993] als auch von Tittel [1993] als charakteristische Größe zur

Beurteilung des Materialverhaltens herangezogen. Dabei gilt die folgende Einteilung in

Kompressibilitätsklassen:

Tabelle 2.5: Kompressibilitätsklassen

Wertebereich Materialeigenschaft

(n + β) = 0 inkompressibel

n < 0,4 (n + β) < 0,45 wenig kompressibel

0,4 < n < 0,6 0,45 < (n + β) < 0,8 mäßig kompressibel

n > 0,6 (n + β) > 0,8 kompressibel

0,8 < (n + β) < 2 hochkompressibel

(n + β) > 2 superkompressibel

Zur Bestimmung der Kompressibilitätseigenschaften wird eine C-P-Zelle (compression-

permeability-cell) verwendet [Alles]. Anhand der gewonnenen Daten können die

( )β

+⋅ε−=ε−

0,S

S0 p

p111

n

0,S

S0 p

p1

+⋅α=α


Koeffizienten n und β durch nichtlineare Regression ermittelt werden. Eine Beschreibung

der C-P-Zelle und der Versuchsdurchführung befindet sich in Anhang A1-4.

Wie bereits erwähnt müssen bei der Apparateauswahl die Stoffsystemeigenschaften, in

diesem Fall die Kompressibilität, mit den Prozessparametern bzw. den Gerätemerkmalen

verknüpft werden. Aus technischen und ökonomischen Gründen gilt dabei, dass das

gewünschte Prozessergebnis (geringe Restfeuchte) mit einem möglichst geringen Druck

realisiert werden sollte. Experimentelle Untersuchungen [Tittel] zeigen, dass

Niederdruckapparate zunächst effektiver für die Entwässerung kompressibler Schlämme

eingesetzt werden können, Hochdruckapparate dagegen bei wenig kompressiblen

Materialien wirtschaftlicher sind.

Ist also durch eine Vorauswahl die Eignung von Pressfiltern wie im Fall der

Klärschlammentwässerung bestätigt, empfiehlt es sich, mit Hilfe von C-P-Daten zu

klären, ob Hoch-, Mittel- oder Niederdruckapparate die wirtschaftlichste Alternative

darstellen. Das nachfolgende Schema (Bild 2.18) verdeutlicht nochmals die Schritte, die

dabei zu durchlaufen sind.

Tabelle 2.6 zeigt eine Auflistung von Pressfiltern und ihre Einteilung gemäß ihres

Betriebsdruckes.

Bild 2.18: Auswahl von Pressfiltern nach Tittel [1993]


Tabelle 2.6: Pressapparate

Niederdruckpressen

p < 20 bar

Mitteldruckpressen

20 bar < p < 50 bar

Hochdruckpressen

p > 50 bar

Kammerfilterpresse

bis 16 bar

CHP-Hochdruckfilterpresse

ca. 20 bar

Wringpresse SICO-W.A.P.

ca. 100 bar

Pressfilterautomat

ca. 16 bar

SICO-C.A.P.-Presse

Flächendruck bis ca. 30 bar

Hochdruckröhrenfilterpresse

ca. 110 bar

Siebbandpresse bzw. Band-

filterpresse; ca. 2,5 bar

Hochdruckkammerfilterpresse

ca. 60 – 80 bar

Klein-Hochdruck-

Bandpresse HP; ca. 16 bar

Der Einsatz von Hochdruckapparaten ist nicht nur dann gerechtfertigt, wenn ein wenig

kompressibles Produkt vorliegt, sondern auch im Anschluss an die Entwässerung

kompressibler Produkte mit konventionellen Pressfiltern, wenn die geforderte Restfeuchte

mit diesen nicht erreicht werden kann. Ferner spielt auch die Verkürzung der notwendigen

Presszeiten durch den Einsatz von hohen Drücken eine Rolle. Es muss jedoch (z.B. durch

Anwendung der oben beschriebenen Methode) vermieden werden, dass Schlämme gleich

mit teuren Hochdruckapparaten entwässert werden, wenn eine Vorentwässerung mit

konventionellen Trenngeräten (Filter, Zentrifuge) und eine anschließende

Nachentwässerung unter Einsatz von hohen Drücken wirtschaftlicher wäre.

b) Dekanter:

In diesem Kapitel sollen soweit vorhanden weiterführende Versuche für die

Eignungsprüfung von Dekantern beschrieben werden. Die Funktionsweise eines

Dekanters wurde bereits in Kapitel 2.3.3 erläutert. Die Entfeuchtung feinkörniger

Schlämme in Dekantern erfolgt nach dem Prinzip der Kompression, d.h. das Sediment

wird unter der Wirkung des Zentrifugalfeldes zusammengepresst. Eine Porenabströmung

der Flüssigkeit findet nicht statt, das Haufwerk bleibt stets gesättigt. Für das

Verfahrensergebnis entscheidende Faktoren sind der Pressdruck, der von der

Sedimenthöhe und der Zentrifugalbeschleunigung abhängt, und die Pressdauer im

Dekanter, die an die Verweilzeit gebunden ist [Alt, Gösele]. Ein weiterer wichtiger Punkt

besteht in der Transportierbarkeit des Sediments durch die Förderschnecke. Besonders bei

Materialien mit einem hohen Feinkornanteil, wie z.B. bei Klärschlamm, tritt ein

Zurückfließen des Sediments konusabwärts auf, was die Klärwirkung verschlechtert und

sogar zu einem Verstopfen der Maschine führen kann. Der Grund hierfür ist, dass die

innere Reibung des Sediments nicht groß genug ist. Die Probleme beim Feststofftransport

feinkörniger Sedimente in Dekantern wurden ausführlich von Karolis [1986] beschrieben.


Zusätzlich zu den beschriebenen Effekten wurde beobachtet, dass durch den Eintrag von

Scherkräften auf ein Sediment (z.B. durch Rühren oder auch durch den Einfluss einer

Förderschnecke) dessen Entwässerung verbessert werden kann [Zhu 1997, Flory 1989].

Einfache Sedimentationsversuche in einem Becherglas sind nicht geeignet, die komplexen

Vorgänge in einem Dekanter zu erfassen und dessen Auslegung zu ermöglichen. Für die

Vorauswahl dieses Gerätetyps sind sie zwar nützlich, für die weiterführende

Untersuchung des Trennverhaltens eines Schlammes in einem Dekanter jedoch

unzureichend. Mehr Informationen lassen sich aus Versuchen mit Laborzentrifugen

gewinnen. Die von Day [1974] empfohlene Vorgehensweise, bei der eine

Laborröhrenzentrifuge (ca. 1000 g) verwendet wird, wurde bereits in Kapitel 4.1

beschrieben. Arbeiten von Stahl [1975] und Redeker [1980] beinhalten Versuche mit

Becherzentrifugen. Jedoch sind für kompressible Materialien auch mit diesen Versuchen

keine quantitativen Aussagen über die Klär- und Durchsatzleistung eines Dekanters sowie

die Konsistenz des Sediments möglich [Alt, Gösele]. Für die zu erwartende

Endrestfeuchte können nur Anhaltswerte ermittelt werden. Der Grund hierfür ist, dass

sowohl der Turbulenzeinfluss als auch die zusätzliche Pressung und Scherung durch die

Transportschnecke nicht erfasst werden. Ebenso ist die tatsächliche Sedimenthöhe im

Dekanter meist unbekannt (vgl. Karolis).

Ein weiterer gravierender Nachteil vieler Laborversuche besteht darin, dass das

Flockungsverhalten (die Schlammentwässerung mit Dekantern erfolgt fast ausschließlich

unter Zugabe von Flockungsmitteln) einer Suspension nicht unter tatsächlich in der

Zentrifuge vorliegenden Bedingungen untersucht werden kann. Die schlagartige

Beschleunigung der flockungsmittelhaltigen Suspension nach Eintritt in die Zentrifuge

(meist wird das Flockungsmittel direkt in das Einlaufrohr des Dekanters eingespritzt),

sowie die Scherbeanspruchung durch die Schnecke und die turbulente Strömung werden

durch Becherglas- und Becherzentrifugentests nicht erfasst. Zudem ist die Wirkungszeit

des Flockungsmittels im realen Dekanter nur sehr kurz. Dies alles hat zur Folge, dass die

effektive Größe und Festigkeit der Agglomerate im Dekanter von den im Laborversuch

beobachteten Eigenschaften abweicht. Da die Klärwirkung, das Kompressionsverhalten

des Sediments und damit auch die Förderbarkeit durch die Schnecke stark vom

Flockungszustand abhängen, sind mit den beschriebenen Versuchen somit keine

verlässlichen Aussagen hinsichtlich dieser Eigenschaften möglich. Ferner können der

erreichbare Durchsatz und der tatsächliche Flockungsmittelbedarf im späteren Betrieb

nicht ausreichend genau ermittelt werden.

Es besteht offensichtlich der Bedarf nach Laborversuchen, mit denen das Sedimentations-

und Kompressionsverhalten sowie die rheologischen Eigenschaften geflockter

Suspensionen unter tatsächlich in einem Dekanter herrschenden Bedingungen untersucht

werden können.


Ein Beitrag hierzu ist die sogenannte Scheibenzentrifuge, die am Institut für Mechanische

Verfahrenstechnik und Mechanik der Universität Karlsruhe entwickelt wurde [Adam].

Die Komplexität der Vorgänge in einem Dekanter und der erwähnte Mangel an

Laborversuchen, die genaue Vorhersagen ermöglichen, sind der Grund, weshalb die

Endauswahl und Auslegung dieses Maschinentyps hauptsächlich anhand von

Pilotversuchen erfolgt. Dabei können folgende Parameter variiert werden:

Trommeldrehzahl, Differenzdrehzahl, Durchsatz, Niveauhöhe und Flockungsmittelmenge.

Auch die Position des Einlaufrohres sowie die Spaltweite zwischen Schneckenblatt und

Trommel kann unter Umständen verändert werden. Die Übertragung der Ergebnisse aus

den Pilotversuchen auf den Großmaßstab ist problematisch (vgl. hierzu Gösele [1980]

sowie Alt und Gösele [1982]). Allgemein lässt sich sagen, dass ein guter

Schlammdekanter über einen relativ flachen Konuswinkel (5-10°), eine geringe Spaltweite

und eine möglichst raue Trommelinnenwand verfügen sollte [Karolis].

Die Aussagekraft verschiedener Versuche bei der Auslegung von Dekantern ist nochmals

in Tabelle 2.7 zusammengefasst.

Tabelle 2.7:Dekanterversuche und ihre Aussagekraft

Versuch Aussagen zur

Klärwirkung

Aussagen zur

Entfeuchtung

Aussagen zum

Feststofftransport

Standzylinder Ja/Nein-Aussage mit

Vorbehalt

-- --

Becher-

zentrifuge

Ja/Nein-Aussage;

quantitative Aussage

unzureichend

-- --

Siebbecher-

zentrifuge

-- quantitative Aussage

bei inkompressiblen

Produkten; bei

kompressiblen Pro-

dukten unzureichend

--

Scheiben-

zentrifuge

Beurteilung der

Sedimentationskinetik

und der Effizienz von

Flockungsmitteln

Beurteilung der

Kompressionskinetik

bisher noch nicht

möglich

Pilotdekanter quantitative

Hochrechnung mit

Vorbehalt

quantitative

Hochrechnung

In kritischen Fällen

keine

Übertragbarkeit


2.6 Zusammenfassung

Aufgabe des vorliegenden Teilzieles war es, eine Vorgehensweise für die Auswahl von Fest-Flüssig-Trenngeräten zu erarbeiten. Es war zu klären, welche Faktoren bei der Apparateauswahl zu beachten sind und wie diese möglichst effektiv mit Hilfe einer Auswahlmethodik miteinander verknüpft werden können. Hierzu wurden zunächst die zu diesem Thema vorhandenen Literaturstellen sowie die gegenwärtig für Entwässerungsaufgaben eingesetzte Trenngeräte näher betrachtet. Die erarbeitete Vorgehensweise wurde anschließend anhand eines typischen Schlamm-entwässerungsproblems verdeutlicht und überprüft. Zunächst wurden die Faktoren, die einen Einfluss auf die Apparateauswahl in der Fest-Flüssig-Trennung haben bzw. haben können, zusammengetragen und erläutert. Sie wurden dabei in Zulaufparameter, gewünschte Produkteigenschaften, prozessbedingte und ökonomische Faktoren sowie Gerätemerkmale untergliedert. Diese Aufzählung kann als Checkliste dienen, die es ermöglicht, Punkt für Punkt zu klären, welche Aspekte bei der Lösung eines vorliegenden Trennproblems zu beachten sind. Anschließend wurden die wichtigsten Typen von Fest-Flüssig-Trenngeräten hinsichtlich Aufbau, Funktionsweise und typischer Anwendungsgebiete beschrieben. Im Rahmen einer Literaturrecherche wurden zahlreiche Beiträge zur Apparateauswahl gesammelt, kategorisiert und bewertet. Dabei wurden die darin enthaltenen Daten und Informationen, die für die richtige Auswahl eines Trenngerätes wertvoll sind, erfasst und dargestellt. Es bestätigte sich, dass es keine allgemeingültigen Standardansätze für die Apparateauswahl in der Fest-Flüssig-Trennung gibt. Die meisten Beiträge verstehen sich zum größten Teil als Hilfsmittel, um den Kreis der in Frage kommenden Geräte möglichst weit einzuengen bzw. um die Auswahl falscher Geräte zu verhindern. Der Verzicht auf aufwendige Eignungs- und Auslegungsversuche im halbtechnischen Maßstab ist in den meisten Fällen nicht möglich. Bei der Suche nach einer effektiven Struktur für eine Auswahlmethodik stellte sich heraus,

dass es sinnvoll ist, den Auswahlprozess in eine Vor- und eine Endauswahl zu unterteilen.

Innerhalb der Vorauswahl sollen durch eine vorläufige Definition der Prozessanforderungen

und anhand einfacher Laborversuche mit der zu trennenden Suspension (Filtrationstest,

Sedimentationstest, ggf. Flockungsmitteltest) potentiell anwendbare Geräte identifiziert

werden. Dies erfolgt durch Vergleich der erhaltenen Ergebnisse mit einer sogenannten

Wissensbasis, einer Datenbank, in der die erhältlichen Trenngeräte und ihre

Leistungsmerkmale und Spezifikationen enthalten sind. Das ideale Werkzeug für die

Vorauswahl ist ein sogenanntes Expertensystem. Dabei handelt es sich um ein

Computerprogramm, das nach Eingabe der das Trennproblem charakterisierenden Daten in

der Lage ist, eine bewertete Rangfolge möglicher Lösungsalternativen auszugeben. Bis zu

einer gewissen Ausgereiftheit sind solche Expertensysteme bereits vorhanden.

In der Endauswahl werden durch eine eingehendere Betrachtung der Prozessbedingungen,

weiterführende Versuche und Wirtschaftlichkeitsrechnungen die günstigsten Apparate bzw.

76 2.6 Zusammenfassung Teilziel 1

Apparatekombinationen aus der Vorauswahlliste ausgewählt. Der zeitliche und

experimentelle Aufwand ist dabei zwangsläufig höher als während der Vorauswahl.

Falls nötig müssen daran anschließend mit wenigen Geräten Pilotversuche durchgeführt

werden, um zu einer endgültigen Entscheidung zu kommen.

Die beschriebene Methode verhindert, dass zuviel Zeit und Geld für letztlich ungeeignete

Alternativen aufgewendet werden.

Für den Bereich der Endauswahl sind Expertensysteme gegenwärtig noch nicht ausgereift

genug. Fest-Flüssig-Trennprobleme sind einerseits zu komplex und zu schwer mathematisch

zu beschreiben, um die Apparateauswahl vollständig mittels eines Computerprogramms

durchführen zu können. Andererseits besteht teilweise ein Mangel an aussagekräftigen

Experimenten, um wichtige Suspensionsparameter zu erfassen und das Materialverhalten in

bestimmten Trenngeräten (z.B. in Dekantern) vorhersagen zu können.

Für die Vorauswahl wurden Informationen und Vorgehensweisen aus den besten in der

Literatur befindlichen Beiträgen zur Apparateauswahl kombiniert.

Wie ein Vergleich zeigte, enthielt die erhaltenen Vorauswahlliste alle in der Praxis zur

Klärschlammentwässerung eingesetzten Apparatetypen. Daraus kann geschlossen werden,

dass die angewandte Vorauswahlmethode tatsächlich dazu dienen kann, für die Lösung eines

Trennproblems potentiell anwendbare Geräte zu identifizieren.

Im Rahmen der Endauswahl wurde eine Nutzwertanalyse durchgeführt, um zu klären, welche

der in Frage kommenden Geräte bei eingehender Betrachtung der erreichbaren

Prozessergebnisse und der Kosten die günstigsten Alternativen sind.

Dabei wurden bei den speziell für die Klärschlammentwässerung angesetzten Prioritäten und

Gewichtungen Dekanter und Kammerfilterpressen am besten beurteilt.

Abschließend wurden deshalb weiterführende Untersuchungsmethoden für die Auswahl bzw.

Auslegung von Pressfiltern und Dekantern beschrieben.

Im Falle von Pressfiltern wurde aufgezeigt, wie die Apparateauswahl anhand von

Informationen über die Kompressibilität des zu entwässernden Schlammes und eine

entsprechende Einteilung in Kompressibilitätsklassen erfolgen kann.

Es wurde deutlich, dass bei der Auslegung von Dekantern großer Bedarf an

aussagekräftigeren Laborversuchen besteht, mit deren Hilfe Vorhersagen über das

rheologische Verhalten und die Transportierbarkeit von Schlämmen in der Maschine gemacht

werden können. In bisher vorhandenen Versuchsapparaturen können die tatsächlich in einem

Dekanter herrschenden Bedingungen, besonders bei der Trennung feinkörniger, geflockter

Suspensionen nur sehr eingeschränkt simuliert werden.

3 Teilziel 2: Entwurf, Herstellung und Versendung der Laborfilterapparatur „Filtratest“ in Zusammenarbeit mit Bokela. Inbetriebnahme und Testbetrieb der Querstromfilterapparatur von NIICHIMMASH

3.1 Einleitung

Im Rahmen dieses Teilzieles galt es von den Kooperationspartner in Deutschland und

Russland Filtrationsapparaturen zu bauen und auszutauschen. Auf diese Weise wurde vom

Institut MVM in Zusammenarbeit mit der Firma Bokela eine Laborfilterapparatur „Filtratest“

gebaut und nach Moskau geschickt. NIICHIMMASH schickte im Austausch eine

Querstromfiltrationsapparatur nach Karlsruhe. Dieses Querstromfilter musste am Institut für

MVM zunächst umgebaut werden, um die elektrischen Verschaltungen an deutsche

Sicherheitsstandards anzupassen und um die Möglichkeit der Parametervariation bei den

wissenschaftlichen Untersuchungen zu haben.

Im Folgenden wird zunächst die nach Moskau versandte Laborfilterapparatur „Filtratest“

genauer spezifiziert, bevor die Querstromfiltrationsapparatur und die an ihr erzielten

Ergebnisse näher beschrieben werden.

3.2 Laborfilterapparatur „Filtratest

Die nach Moskau an NIICHIMMASH versandte transportable Filtrationsanlage „Filtratest“

ist eine Laborapparatur zur Durchführung von Versuchen zur partikelabscheidenden Filtration

und zur Erfassung von Durchströmungswiderständen und kann unter anderem gemäß DIN

38409, ASTM F1170-88 und VDI-Richtlinie 2762 „Filtrierbarkeit von Suspensionen –

Bestimmung des Kuchenwiderstandes“ eingesetzt werden.

Filtratest besteht aus einem Baukastensystem, dass sich aus einer Basisversion und

verschiedenen Erweiterungskomponenten zusammensetzt, um unterschiedlichen

Einsatzzwecken gerecht zu werden. Die Basisversion ist so ausgeführt, dass sie vor Ort

unabhängig von einer Stromversorgung betrieben werden kann.

Die versandte Anlage hatte folgenden Leistungsumfang:

§ Filtratest-Basisversion bestehend aus:

o 1 zylindrische Druckfilterzelle aus Werkstoff 1.4301, Filterfläche 20 cm³, maximales

Füllvolumen 380 cm³, maximaler Filtrationsdruck pabs = 11 bar, maximaler

78 3.2 Laborfilterapparatur „Filtratest Teilziel 2

Differenzdruck Äp = 10 bar, maximale Betriebstemperatur 120 °C, maximale

Kuchendicke 50 mm.

Beheizbar durch Doppelmantel mit 2 3/8´´ Schlauchtüllenanschluss.

Schnellverschlussdeckel mit Scharnier und integriertem Schauglas.

Bajonettverschlussboden mit Filtratablauf, Filtertuchhalterung und Kuchen-

bildungsring

Druckluftanschluss mit Einhand-Schnellkupplung

Abmessung: H = 420 mm, B = 700 mm, T = 180 mm

Gewicht M ~ 30 kg

o 1 mechanisches Manometer

o 1 Präzision-Druckregler

o 1 Druckluftfilter mit Wasser- und Ölabscheider

o 1 Satz Schlauchverbindungen mit Kugelhähnen und Verbindungselementen

o 1 Grundrahmen aus Edelstahl-Hohlprofilen in Kompaktbauweise zur Befestigung der

einzelnen Komponenten mit abschraubbaren Stativfüßen zur Aufstellung am

Einsatzort

o 1 Bedienungshandbuch

§ Transportkoffer bestehend aus:

o Schale aus Aluminium mit verstärkten Ecken und Schaumstoffauskleidung, für die

Aufnahme der Filtratest-Basisversion

Abmessung: H = 450 mm, B = 750 mm, T = 250 mm

Gewicht M ~ 5 kg

§ Elektronische Filtraterfassung und –auswertung bestehend aus:

o 1 elektronische Waage mit digitalem Ausgangssignal für serielle Schnittstelle.

Wägebereich 0 – 3000 g, 0,01 g Ablesbarkeit bis 600 g, 0,1 g Ablesbarkeit zwischen

600 g – 3000 g.

o 1 Diskette mit Sftwarepaket für die erfassung des Filtratanfalls über der Zeit und der

Auswertung der Durchströmungsverwiderstände zur Anwendung auf einem IBM-

kompatibeln PC

o 1 Satz Softwaredokumentation

§ Elektronische Gasdurchsatzmesseinrichtung bestehend aus:

Messbereich: Min: 0,027 mN³/h bei Äp = 0,05 bar

Max: 29,5 mN³/h bei Äp = 10 bar

o 3 Gasdurchsatzmessrohre (Venturi-Prinzip), parallel montiert, einzeln ansteuerbar

o 1 Gasdurchsatzmessgerät mit Display

o 1 Bypassrohr, parallel zu den Messrohren montiert

o 4 Kugelhähne

o 1 Satz Verrohrung, Verbindungselemente und Anschlussstücke

Teilziel 2 3.2 Laborfilterapparatur „Filtratest 79

o 1 Rahmen aus Edelstahl zur Aufnahme der einzelnen Komponenten und zur

Befestigung am Filtratest Grundrahmen

o 1 Satz Dokumentation und Einbauanleitung

§ Elektronische Gasdurchsatzerfassung und –auswertung zur Anzeige des Gasdurchsatzes

am PC bestehend aus:

o 1 Interface zur Datenübertragung an einen IBM-kompatiblen PC mit Softwarepaket

für die Messdatenerfassung und Anzeige des Gasdurchsatzes im oben genannten

Messbereich

o 1 Verbindungskabel

o 1 Satz Dokumentation der Software und Einbauanleitung

§ Beleuchtungseinheit für den Innenraum der Filterzelle bestehend aus:

o 1 Halogenlampe (12 V/ 5 W) mit Fassung und spezieller Trägerkonstruktion aus

Edelstahl 1.4301, montiert auf dem Schnellverschlussdeckel

o 1 Netzgerät (230 V, 50 Hz) inkl. Verkabelung

o 1 Einbauanleitung

§ Elektronisches Feinmessmanometer bestehend aus:

o 1 Druckaufnehmer mit vierstelliger Anzeige

o 1 Einbauanleitung

o Personalcomputer inklusive Betriebssystem, Tastatur und Monitor

Der Aufbau einer Filtratest-Apparatur ist in Bild 3.1 dargestellt.

Bild 3.1: Aufbau einer Filtratest-Apparatur

80 3.3 Querstromfiltrationsapparatur Teilziel 2

3.3 Querstromfiltrationsapparatur

Die prinzipielle Funktionsweise der Querstromfiltration wurde bereits in Kapitel 2.3.4.5 kurz

beschrieben. Für die folgenden Erörterungen reicht diese Beschreibung aus. Für

weiterführende Informationen empfehlen sich die Literaturen von Cheryan [1986], Fischer

[1987], Redeker [1991], Kaulisch [1995], Fritz [1995], Gans [1995], Beyer [1999] und Klein

[1999].

3.3.1 Anlagenaufbau

Die von NIICHIMMASH an das Institut für MVM gesandte Querstromfiltrationsapparatur ist

in Bild 3.2 dargestellt. Bild 3.3 zeigt das Anlagenschema dieser Apparatur.

Bild 3.2: Querstromfiltrationsapparatur der Firma Niichimmash

Die Suspension wird aus dem temperierbaren Vorlagebehälter 1 mittels der Pumpe 5 durch

die Filterkerzen 4 gepumpt. Innerhalb dieser Kerzen befinden sich die Keramikfilterelemente,

durch die das Permeat in den Permeatbehälter 2 fließt. Das durch beide Filterkerzen

geflossene Retentat wird zurück in den Suspensionsbehälter 1 gepumpt.

Baut sich innerhalb der Filterkerzen ein Kuchen auf, so sinkt der Permeatstrom und die

Filtrationsleistung nimmt ab, weshalb an der Apparatur eine Rückspülung vorgesehen ist.

Mittels eines Kompressors wird innerhalb des Druckbehälters 3 ein Überdruck erzeugt. Dieser

Teilziel 2 3.3.1 Anlagenaufbau 81

Überdruck kann pneumatisch gesteuert auf den Permeatbehälter 2 aufgegeben werden, so dass

das Permeat entgegen der eigentlichen Filtrationsrichtung durch die Kerzen zurück in den

Filtrationsraum gedrückt wird. Hierbei wird der sich auf den Keramikkerzen gebildete

Kuchen abgespült und von der Strömung mitgerissen in den Suspensionsbehälter 1

transportiert. Wird der Überdruck wieder abgesteuert kann die Filtration erneut vonstatten

gehen.

Zur Kontrolle der Druckverhältnisse innerhalb des Systems befinden sich Manometer vor der

ersten Kerze und hinter der zweiten Kerze. Aus diesen beiden Anzeigen kann somit der

Druckverlust innerhalb der beiden Kerzen durch Differenzenbildung kalkuliert werden.

Bild 3.3: Anlagenschema der Querstromfiltrationsapparatur

Zu variierende Größen dieser Anlage sind die Permeatabfuhr aus den Kerzen 4, wobei das

Permeat aus beiden Kerzen oder lediglich aus einer Kerze abgezogen werden kann, sowie der


gewählte Zeitpunkt und die Dauer des Rückspülens. Die Überströmungsgeschwindigkeit kann

in der von NIICHIMMASH gelieferten Apparatur nicht variiert werden. Auch ist die

Anlegung einer zusätzlich über den Kerzen wirkenden Druckdifferenz nicht möglich.

Innerhalb der beiden Filterkerzen befinden sich verschiedene Keramikfilterelemente. Die

zuerst durchströmte Kerze besteht aus 33 parallel geschalteten Keramikzylindern mit einem

Außendurchmesser von dA = 10,3 mm und einem Innendurchmesser von dI = 5,6 mm. Die

Länge dieser Zylinder beträgt L = 818 mm.

Die Anordnung dieser 33 Keramikzylindern ist in Bild 3.4 dargestellt. Die mit einem Kreuz

versehenen Bohrungen der Zylinderdraufsicht enthalten keine Keramikzylinder. Hierin

befinden sich Schrauben, die eine auf den Metallplatten und Dichtringen befindliche

Stahlplatte halten.

Bild 3.4: Prinzipieller Aufbau der ersten Filtrationskerze (Zeichnung nicht immer

maßstabsgetreu)


In der zweiten Kerze befinden sich 7 deutlich aufwendigere Keramikelemente, die jeweils 19

durchgehende zylindrische Bohrungen enthalten. Der Durchmesser dieser Bohrungen beträgt

etwa d = 3 mm.

Die Durchströmungsfläche in der ersten Kerze beträgt somit etwa 813 mm², während es in der

zweiten Kerze etwa 940 mm² sind. Die Tatsache, dass die zuerst zu durchströmende

Filterkerze eine kleinere Durchströmungsfläche aufweist als die folgende, hat für den

Filtrationsprozess mehrere negative Folgen. Zum einen ist die Überstromgeschwindigkeit bei

einer kleineren Durchströmungsfläche größer, d.h. die Partikeln können sich in Kerze 1

weniger gut ablagern, da sie von den erhöhten Strömungskräften besser mitgerissen werden.

Dies begünstigt den Filtratanfall in der ersten Kerze.

Ein kleiner Durchströmungsquerschnitt bedeutet aber auch einen erhöhten Druckverlust, so

dass die transmembrane Druckdifferenz in der zweiten Kerze deutlich kleiner ist, als in der

ersten. Dies verschlechtert den Filtratanfall in der zweiten Kerze.

Bei einem Vergleich der Filtratanfälle beider Seiten wird somit immer die erste Kerze

deutlich begünstigt, was einen fairen Vergleich beider Kerzentypen ausschließt. Die Anlage

ermöglicht es leider nicht die Durchströmungsrichtung der Kerzen zu ändern, so dass die

erwähnten Nachteil ausgeglichen werden könnte. Ein Austausch der beiden Filtersysteme ist

aufgrund der aufwendigen Abdichtung und des Mangels an Ersatzfilterelementen leider

ebenfalls nicht möglich gewesen.

Nähere Information über die Qualität oder die Porengröße der Keramikmembranen wurden

von Seiten NIICHIMMASHs leider nicht mitgeteilt.

Bild 3.5: Keramikelemente der zweiten Kerze

Die von NIICHIMMASH gelieferte Apparatur wies bei ihrer elektrischen Verschaltung sehr

große Mängel auf, was eine Inbetriebnahme von deutscher Seite zunächst nicht erlaubte, da

ein sicherer Betrieb für das betreibende Personal nicht gewährleistet werden konnte.

Die gelieferte Verschaltung der Anlage ist in Bild 3.6 dargestellt. Hierbei gab es offenliegende

Drähte, unsachgemäße Lötstellen, offenliegende Kabelanschlüsse an einem Potentiometer aus


dem Jahre 1967, Kabelabdichtungsmaterial mit kaugummiartige Konsistenz, einen

freiliegenden Anschluss an die Behälteraußenwand, der wohl die Erdung der Apparatur

darstellen sollte. Dies sind nur einige Beispiele der Mängel, die aber verdeutlichen, dass die

gesamte elektrische Verschaltung erneuert werden musste.

Da leider kein Schaltplan der Apparatur vorlagt, was angesichts der vorgefundenen

Verschaltung auch nicht verwundert, wurde eine vollständig neue Verschaltung entworfen

und realisiert. Diese neue Verschaltung ist in Bild 3.7 aufgetragen.

Bild 3.6: Mangelhafte elektrische Verschaltung der Querstromfiltrationsapparatur


Bild 3.7: Neue elektrische Verschaltung der Querstromfiltrationsapparatur

Neben der Erneuerung der elektrischen Verschaltung wurden der Apparatur am Institut für

MVM zusätzliche Bauteile, die eine wissenschaftliche Untersuchung an der Apparatur

überhaupt erst ermöglichen hinzugefügt.

Zunächst galt es Möglichkeiten der Messwerterfassung an der Apparatur vorzusehen. Hierzu

wurde zur Messung der umgepumpten Suspensionsmenge ein Durchflussmesser eingebaut,

der einen Suspensionsvolumenstrom von bis zu 250 dm³/min erfassen kann. Zur Messung des

Permeatstromes wurde ein weiterer Durchflussmesser installiert, dessen Messbereich von

maximal 200 dm³/min auf 20 dm³/min reduziert werden konnte. Zusätzlich wurden unterhalb

der Manometer digitale Druckaufnehmer installiert um den Druckverlauf auch online erfassen

zu können.

Um nun auch eine Variation verschiedener Parameter zu realisieren, wurde die

Pumpendrehzahl über einen neu installierten Frequenzumrichter geregelt. Der

Suspensionsvolumenstrom lies sich hiermit zwischen 20 und 240 dm³/min variieren. Der vor

der ersten Kerze gemessenen Druck, d.h. der an den beiden Kerzen und der restlichen

Rohrleitung in den Suspensionsbehälter abfallende Druckverlust, lag hierbei zwischen 0,06

und 1,5 bar.

Die im nachfolgenden Kapitel beschriebenen Experimente zeigten bei diesen Einstellungen,

dass der resultierende Permeatstrom zum einen recht klein ist, und dass kein Kuchenaufbau

erfolgt. Die Tatsache eines nicht erfolgten Kuchenaufbaus ist industriell sicherlich sehr

wünschenswert und erspart einem den Rückspülvorgang, ein optimaler Permeatstrom lässt

sich auf diese Weise aber nicht erzielen und eine wissenschaftlich sinnvolle Auslegung der

Apparatur ist nicht möglich. Aus diesem Grund wurde für weitere Untersuchungen eine

Drossel im Rohrleitungssystem zunächst vor und später hinter den Kerzen installiert. Durch

diese Drossel hinter den Kerzen lies sich der Druck innerhalb der Kerzen auf bis zu 6 bar


erhöhen. Durch die Drosselung wurde zudem der Suspensionsvolumenstrom geregelt, so dass

eine weitere Regelung mittels Frequenzumrichter hinfällig wurde.

Ein weiteres Problem der Apparatur sind ihre nicht optimal aufeinander abgestimmten

Dimensionen. Der Suspensionsbehälter fasst etwa 60 dm³. Der ursprünglich nicht variierbare

Volumenstrom der Pumpe von etwa 240 dm³/min pumpt diesen Inhalt somit etwa vielmal pro

Minute durch die Anlage. Hierbei tritt recht schnell eine Erwärmung der Suspension ein,

durch die eine Verringerung der Viskosität und somit ein verbesserter Permeatfluss resultiert.

Um wissenschaftlich relevante Aussagen treffen zu können, sollte die Temperatur des

Systems jedoch konstant sein. Durch die doppelwandige Ausführung des

Suspensionsbehälters und die damit vorhandene Möglichkeit der Temperierung lässt sich eine

Kühlung des Systems zwar erreichen dies erreichen, eine exakte Temperaturregulierung

besteht aber nicht. Dies ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass der Suspensionsbehälter für

die Anlage eigentlich zu klein dimensioniert ist. Dies zeigt sich auch in der Tatsache, dass der

Suspensionsspiegel bis zur Füllung des Rohrleitungssystems und der Kerzen auf etwa ein

Drittel abgefallen ist. Durch die Permeatabfuhr sinkt er weiter.

Schließlich war bei der Apparatur auch das Druckluftsystem undicht, dass den notwendigen

Druck zum Rückspülen und zur Steuerung der pneumatische Steuerelemente liefert. Zur

Behebung dieses Problems wurde auf den Kompressor verzichtet, und die Apparatur am

Druckluftnetz des Hauses angeschlossen, die Leitungen wurden teilweise erneuert und um

zwei Druckminderer ergänzt. Durch diese Druckminderer ist es nun möglich, den an den

Steuerelementen anliegenden Druck und den Rückspüldruck unabhängig voneinander

einzustellen. Der für die Schaltung der Steuerelemente notwendige Pressdruck wurde, da

nicht von russischer Seite angegeben, experimentell ermittelt und beträgt 3 bar.

3.3.2 Experimentelle Ergebnisse an der Querstromfiltrationsapparatur

In den folgenden Ergebnissen wird auf eine Darstellung der Versuche an der ursprünglichen

Apparatur, die keine Einstellmöglichkeiten lies verzichtet, ebenso wie auf die Versuche bei

denen die Pumpe über einen Frequenzumrichter geregelt wurde. Die hierbei gewonnenen

Erkenntnisse lassen sich im Rahmen dieses Abschlussberichtes auch an den Versuchen, die

durch eine Drossel vor oder hinter den Kerzen geregelt wurden erklären.

An dieser Drossel kann der an ihr abfallende Druckverlust eingestellt werden, so dass durch

einen erhöhten Druckverlust der Suspensionsvolumenstrom geregelt werden kann. Für vier

verschiedene Drosseldruckverluste ist der Suspensionsvolumenstrom in Bild 3.8 dargestellt.

Der Suspensionsvolumenstrom wird hierbei auf bis zu 90 dm³/min heruntergeregelt. Ein

höher Drosseldruckverlust darf aufgrund der Pumpe nicht eingestellt werden. Ist die Drossel

vor den Kerzen angebracht, so wird lediglich der Suspensionsvolumenstrom geregelt. Liegt

Teilziel 2 3.3.2 Experimentelle Ergebnisse an der Querstromfiltrationsapparatur 87

die Drossel hinter den Kerzen, so wirkt der Drosseldruckverlust auf die Kerzen zurück und es

steht ein größere transmembrane Druckdifferenz zur Verfügung.

Um sich bei den Untersuchungen zunächst nicht zu weit von der ursprünglich gelieferten

Apparatur zu entfernen, wurde die Drossel vor den Kerzen eingebaut, bevor bei den

abschließenden Untersuchungen die Drossel hinter den Kerzen montiert war.

3.3.2.1 Querstromfiltrationsversuche mit Karlsruher Leitungswasser

Zur Überprüfung der Funktion der Apparatur wurden zunächst Versuche mit Karlsruher

Leitungswasser durchgeführt. Bei diesen Versuchen findet innerhalb der Kerzen kein

Kuchenaufbau statt, so dass diese Versuche die Beobachtung der Anlagenkinetik

ermöglichen. Hierunter wird das Anlagenverhalten während des Anfahrvorganges und eine

Änderung der Versuchsparameter verstanden. Eine Änderung der Versuchsparameter

beinhaltet hierbei eine Änderung des Vordruckes oder eine Änderung der Filtratabführung.

Des weiteren erhält man aus den Versuchen mit Leitungswasser eigentlich eine Aussage über

den maximalen Permeatstrom bei der jeweiligen Anordnung. Bei den hier durchgeführten

Versuchen zeigte sich jedoch, dass die Kerzen verunreinigt geliefert wurden, so dass die

Versuche mit Leitungswasser zunächst lediglich zur Reinigung der Kerzen dienten, aber nicht

reproduzierbar waren. Erst nach mehreren Versuchen lies sich eine akzeptable

Reproduzierbarkeit erreichen. Wobei nicht garantiert werden konnte, dass die Kerzen nun

vollständig gereinigt waren.

0

50

100

150

200

250

2 3 4 5 6 7

Drosseldruckverlust [bar]

Susp

ensi

onsv

olum

enst

rom

[dm

³/m

in]

Bild 3.8: Suspensionsvolumenstrom in Abhängigkeit des Drosseldruckverlustes


In Bild 3.9 ist für einen Vordruck von pV = 4 bar der Permeatvolumenstrom für verschiedene

Permeatabfuhren dargestellt. Bei einem konstanten Suspensionsvolumenstrom von

190 dm³/min sind zunächst beide Ventile geschlossen, so dass weder aus Kerze 1 noch aus

Kerze 2 Permeat abgezogen werden sollte. Die Messung zeigt jedoch einen gemessenen

Permeatanfall von etwa 0,25 dm³/min. Dieser Messwert ist größer als die Messungenauigkeit

von etwa 0,2 dm³/min und weist auf einen Fehler der Ventile hin. Diese konnten nicht

vollständig geschlossen werden und wurden für die späteren Versuche ausgetauscht.

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 300

Zeit [s]

Susp

ensi

onsv

olum

enst

rom

[dm

³/m

in]

0

1

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3

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6

7

8

9

10

Per

mea

tvol

umen

stro

m [

dm³/

min

]

Ventil 1 zuVentil 2 zu

Ventil 1 zuVentil 2 offen

Ventil 1 offenVentil 2 zu

Ventil 1 offenVentil 2 offen

Bild 3.9: Querstromfiltrationsversuch mit Leitungswasser und varriierter Permeatabfuhr bei

einem Vordruck von pV = 4 bar

Nach der Messung mit den vermeintlich geschlossenen Ventilen wurden beide geöffnet und

es ergab sich nach einem Einlaufvorgang ein Gesamtfiltratanfall von etwa 2 dm³/min. Dies

bedeutet, dass das Verhältnis von Permeatstrom zu Retentatstrom lediglich etwa 1 % beträgt.

Wird nun Ventil 2 geschlossen, so dass das Permeat lediglich aus Kerze 1 abgeführt wird, so

fällt erstaunlicherweise mehr Permeat an, als bei Öffnung beider Ventile. Diese Beobachtung

erfolgte auch schon im Originalzustand der Anlage bzw. bei den Versuchen mit veränderter

Pumpenregelung. Ursache hiervon ist, dass die Permeatabfuhr beider Kerzen nicht

voneinander unabhängig erfolgt.

Aus beiden Kerzen wird das Permeat an zwei Stellen abgezogen (siehe Bild 3.3). Diese

befinden sich jeweils 5 Zentimeter von den Kerzenenden entfernt, d.h. die untere Stelle liegt

5 Zentimeter über dem Kerzeneinlauf, so dass das sich bildende Totraumvolumen zunächst


gefüllt werden muss, bevor Permeat abgezogen werden kann. Der andere Abzug befindet sich

5 Zentimeter unter dem Permeatauslauf (für die zweite Kerze erfolgt die Durchströmung von

oben nach unten, so dass die Bezeichnungen Permeatein- und –auslauf zu wechseln sind) und

damit 73 Zentimeter über dem unteren Auslauf. Da das Permeat die Luft aus den Kerzen bei

der gewählten senkrechten Anordnung nicht entfernen kann, befindet sich im oberen Teil der

Kerze immer ein Luftpolster, so dass aus dem oberen Ablauf kein Permeat abgezogen wird.

Das hier anfallende Permeat fließt innerhalb der Kerze nach unten und kann dort abgezogen

werden.

An der Höhe der Flüssigkeitssäule im Permeatschlauch einer Kerze kann aber der Füllstand

überprüft bzw. kontrolliert werden.

Sind beide Permeatabläufe geschlossen, so stellt sich in beiden Kerzen ein definierter

Füllstand ein, der von der Luftmenge innerhalb der Kerzen abhängt. Das durch die Kerzen

strömende Permeat erleidet einen Druckverlust. In Abhängigkeit des Vordruckes liegt aber

weiterhin ein Druck am Permeat an. Das in die Kerze strömende Permeat verdrängt Luft

innerhalb der Kerze nach oben und komprimiert diese. Der Druck der komprimierten Luft

steht hierbei im Gleichgewicht mit dem Druck des Permeats, so dass der Füllstand ein Maß

für den Druck innerhalb der Kerzen ist.

Öffnet man nun Ventil 2, so kann man dort beobachten, dass der Füllstand in der Kerze 2

abnimmt, da der Druck nun über den Permeatablauf abgebaut werden kann. Wird nun jedoch

zusätzlich das Ventil der Kerze 1 geöffnet, so bleibt der Füllstand in Kerze 2 nicht konstant

sondern steigt deutlich, auch über den Wert der verschlossenen Kerze an. Dies bedeutet, dass

Permeat aus der Kerze 1 in Kerze 2 läuft und dort durch die Kerze wieder in die Suspension

fließt. Ursache hiervon ist, dass der Suspensionsdruck im Einlauf der Kerze 1 am größten ist

und deutlich größer als im Ablauf von Kerze 2. Die Druckdifferenz an diesen beiden Stellen

scheint so groß zu sein, dass sie dem Durchströmungsdrücken der Kerzenwände überwiegt

und das Filtrat zurückfließen kann. Dies erklärt weshalb der Permeatanfall von Kerze 1 größer

ist als von Kerze 1 und Kerze 2 zusammen.

Der Permeatanfall von Kerze 2 liegt unterhalb des Permeatanfalls von Kerze 1, da die zur

Verfügung stehende Druckdifferenz in Kerze 2 aufgrund der bereits erfolgten Durchströmung

von Kerze 1 kleiner ist.

Diese Beobachtungen erfolgten unabhängig des Überstromgeschwindigkeit. Bild 3.10 zeigt,

dass der Permeatanfall an Kerze 1 immer über dem Permeatanfall von Kerze 1 und Kerze 2

liegt. Ebenso war der Permeatanfall aus Kerze 1 immer größer als der Permeatanfall aus

beiden Kerzen.


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

80 100 120 140 160 180 200 220

Suspensionsvolumenstrom [dm³/min]

Per

mea

tanf

all [

dm³/

min

]

Ventil 1 offen, Ventil 2 zu

Ventil 1 offen, Ventil 2 offen

Ventil 1 zu , Ventil 2 offen

Ventil 1 zu , Ventil 2 zu

Bild 3.10: Querstromfiltrationsversuch mit Leitungswasser in Abhängigkeit von Suspensions-

volumenstrom und Permeatabfuhr

3.3.2.2 Querstromfiltrationsversuche mit Kalksteinsuspension

Im folgenden werden Querstromfiltrationsversuche mit Suspensionen aus Kalkstein und

Karlsruher Leitungswasser diskutiert. Kalkstein wurde als Versuchsmaterial gewählt, da sich

dieser bei einer möglichen Verblockung eines Strömungskanals in den Keramikkerzen durch

Salzsäure auswaschen lässt. Ein Austausch von Kerzen war mangels Ersatzkerzen nicht

möglich.

Als Kalkstein kam das Produkt Blausiegel der Firma Oyma GmbH aus Blaustein zum Einsatz.

Angaben über mittlere Partikelgröße, Dichte etc. finden sich in Tabelle 3.1.

Tabelle 3.1: Mittlere Partikelgröße x50,3, Verteilungsbreite x90,3/x10,3,volumenspezifische

Oberfläche SV nach Blaine, und Feststoffdichte ñs von Blausiegel

x50,3 [µm] x90,3 / x10,3 [-] SV [106 m-1] ñs [kg/m³]

Blausiegel 5,8 10,5 1,76 2,70

Die mittlere Partikelgröße dieses Produktes mag für die Querstromfiltration etwas groß

gewählt sein, da aber keinerlei Informationen über die Porengröße der Keramikkerzen von

russischer Seite vorlagen und ein Verstopfen dieser Poren verhindert werden sollte, schien

dieses Produkt geeignet. Zudem wurde bei den durchgeführten Untersuchungen kein


Augenmerk auf die Abscheideleistung der Apparatur gelegt, die bei dem gewählten

Versuchsprodukt bei 100 % lag, d.h. das Permeat war mit keinerlei Kalkstein Partikeln

versetzt. Das Hauptaugenmerk lag vielmehr in der Realisierung einer sinnvollen

Versuchsdurchführung, die ein optimale Auslastung der Anlage ermöglicht.

In den folgenden Abbildung wird ein Versuch diskutiert, der mit einer

Feststoffvolumenkonzentration von cV = 2 % Blausiegel durchgeführt wurde. Hierbei waren

zunächst beide Ventile geöffnet, d.h. es wurde Filtrat aus beiden Kerzen abgezogen. Bei dem

in Bild 3.11 dargestellten Versuch wurde während des Versuches der Verlustdruck an der vor

den Kerzen montierten Drossel von 3 bar auf 4 bar, 5 bar und 6 bar gesteigert, wodurch wie

bereits aus den Versuchen mit reinem Leitungswasser bekannt (siehe Bild 3.8), der

Suspensionsvolumenstrom abnimmt. Durch einen verringerten Suspensionsvolumenstrom

nimmt auch der Permeatvolumenstrom ab, wie in Bild 3.11 zu sehen ist.

0

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100

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200

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0 50 100 150 200 250 300 350 400

Zeit [s]

Susp

ensi

onsv

olum

enst

rom

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in]

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0.5

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Per

mea

tvol

umen

stro

m [

dm³/

min

]

Bild 3.11: Querstromfiltrationsversuch mit Suspension aus Blausiegel und Leitungswasser,

cV = 2 %, beide Ventile offen, mit Varriation der Überströmungsgeschwindigkeit

Eine Änderung des Suspensionsvolumenstroms verringert den Druck mit dem das Permeat

durch die Kerzen strömt, so dass sich zunächst erst wieder ein Gleichgewicht zwischen

diesem Druck und dem Druck im Permeatablauf der Kerze einstellen muss. Aus diesem

Grund fällt unmittelbar nach einer Änderung des Suspensionsvolumenstroms weniger Filtrat

an, bis sich das erneute Gleichgewicht eingestellt hat. Die Tatsache, dass sich aber ein

Gleichgewicht einstellt zeigt, dass innerhalb der Kerze kein Kuchenaufbau erfolgt. Während


dieser Versuche muss somit nicht zurückgespült werden, was industriell sicherlich

wünschenswert ist, auf der anderen Seite aber auch bedeutet, dass die Anlage nicht

vollständig ausgelastet ist, bzw. nicht optimal betrieben wird.

Durch den Abzug des Permeats nimmt die Feststoffkonzentration der Suspension zu, so dass

im Laufe der Versuche ein Kuchenaufbau erfolgen wird. Betrachtet man jedoch den geringen

während der Versuche anfallenden Permeatstrom, so müssen diese Versuche einige Zeit

laufen, wobei die Temperatur der Suspension aufgrund der hohen eingetragenen

Pumpleistung stark ansteigt. Eine erhöhte Temperatur hat eine Abnahme der Viskosität und

eine verbesserte Durchströmung der Kerze zur Folge. Eine gewissenhafte Beurteilung der

Versuche wird somit erschwert. Die bei der Anlage vorgesehene Kühlung des Systems ist

leider nicht so betreibbar, um eine konstante Temperatur zu gewährleisten.

Zu dem ist für solche Versuche das Suspensionsvolumen der Apparatur zu gering. Geht man

von einem Suspensionsvolumen von 60 Litern bei einer Ausgangsvolumenkonzentration von

cV = 2 % aus, so müssten bereits 30 Liter abgezogen werden, um die Konzentration lediglich

auf cV = 4 % zu erhöhen. Dies würde aber bedeuten, dass kein Volumen mehr im

Vorlagebehälter ist, wodurch diese wenn auch geringe Aufkonzentrierung ohne erneute

Suspensionszufuhr nicht möglich ist. Eine Suspensionszufuhr verringert aber die Wirkung der

Aufkonzentrierung, wodurch auch weiterhin kein Kuchenaufbau resultieren dürfte.

Betrachtet man für den in Bild 3.11 dargestellten Versuch die Suspensionsdrücke vor und

hinter den Kerzen (siehe Bild 3.12), so nehmen diese mit abnehmendem

Suspensionsvolumenstrom ebenfalls ab, da bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit die

Reibungsverluste innerhalb der Kerzen geringer sind. Die Angabe des

Suspensionsspeisedruckes hinter der Kammer ergibt den Druckverlust in der Leitung

zwischen den Kerzen und dem Vorlagebehälter. Der Suspensionsspeisedruck vor den Kerzen

gibt an, wie viel Druckverlust innerhalb der Kerzen und der nachfolgenden Verrohrung

auftritt. Subtrahiert man dementsprechend beide Drücke, so erhält man den Druckverlust

innerhalb der Kerzen. In Bild 3.13 ist dieser Druckverlust ebenso wie der

Permeatvolumenstrom über dem Suspensionsvolumenstrom aufgetragen. Es zeigt sich für

beide Größen eine lineare Abhängigkeit vom Suspensionsvolumenstrom, was aufgrund des

nicht vorhandenen Kuchenaufbaus auch zu erwarten war.

Die bislang dargestellten Versuche mit der Blausiegelsuspension wurden mit für beide Kerzen

geöffneten Ventilen durchgeführt. Die Untersuchungen mit Leitungswasser in Kapitel 3.3.2.1

haben jedoch gezeigt, dass ein Teil des Permeats aus Kerze 1 in Kerze 2 fließt und somit

weniger Permeat anfällt, wenn beide Kerzenventile geöffnet sind als wenn nur Permeat aus

Kerze 1 abgezogen wird.


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0.2

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0.6

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Susp

ensi

onsd

ruck

hin

ter

den

Ker

zen

[bar

]

Bild 3.12: Suspensionsdrücke vor und hinter den Kerzen beim Querstromfiltrationsversuch

aus Bild 3.11

0

0.5

1

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Dru

ckve

rlus

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den

Ker

zen

[bar

]

PermeatstromDruckverlust in den Kerzen

Bild 3.13: Permeatvolumenstrom und Druckverlust in den Kerzen in Abhängigkeit des

Suspensionsvolumenstroms des Versuches aus Bild 3.11 und Bild 3.12


In Bild 3.14 sind für Versuche mit der Blausiegelsuspension die Permeatvolumenströme für

eine Filtratabfuhr aus beiden Kerzen oder lediglich aus Kerze 1 miteinander verglichen. Auch

hier bestätigen sich zwei bereits getroffene Beobachtungen. Zum einen ist auch hier der

Permeatanfall aus Kerze 1 größer als aus beiden Kerzen, so dass auch hier ein Teil des

Permeats aus Kerze 1 in Kerze 2 fließt. Zum anderen ergibt sich auch hier für beide

Permeatvolumenströme eine lineare Abhängigkeit vom Suspensionsvolumenstrom. Die

Druckverluste in den Kerzen waren hierbei nahezu identisch.

Führt man diese Versuche mit einer Volumenkonzentration von cV = 4 % statt wie bisher

cV = 2 % durch, wie in Bild 3.15 für die Kerze 1 dargestellt, ergibt sich der bereits aus

Bild 3.11 für beide Kerzen bekannte Verlauf. Auch bei dieser Konzentration ergab sich kein

Kuchenaufbau. Der sich einstellende Permeatvolumenstrom war geringfügig höher als bei den

Versuchen mit cV = 2 %, da der Druckverlust bei cV = 4 % etwas höher lag. Die prozentuale

Steigerung des Druckverlustes entspricht hierbei in etwa der prozentualen Steigerung des

Permeatvolumenstroms.

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Per

mea

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stro

m [

dm³/

min

] Ventil 1 offen, Ventil 2 zu

Ventil 1 offen, Ventil 2 offen

Bild 3.14: Vergleich des Permeatvolumenstroms in Abhängigkeit des Suspensionsvolumen-

stroms und der Permeatabfuhr


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m [

dm³/

min

]


cV = 4 %, nur Ventil 1 offen, mit Varriation der Überströmungsgeschwindigkeit

In Bild 3.16 sind der Permeatvolumenstrom und der Druckverlust in den Kerzen in

Abhängigkeit des Suspensionsvolumenstroms für die Feststoffvolumenkonzentration von

cV = 4 % dargestellt. Auch bei diesen Versuchen ergibt sich der lineare Verlauf.

Vergleicht man bei diesen Versuchen den Permeatvolumenstrom von Kerze 1 und Kerze 2,

wobei bei diesen Versuchen neue und sicher verschließende Ventile zum Einsatz kamen, wie

in Bild 3.17 dargestellt, so zeigt sich, dass an Kerze 1 mehr als der doppelte Permeatstrom

erreicht wird. Hieraus kann jedoch, wie in Kapitel 3.3.1 erläutert, nicht auf die

unterschiedliche Wirksamkeit der Kerzen geschlossen werden, da der Druckverlust aus

Kerze 1 zu einer verringerten Filtrationskraft in Kerze 2 führt.

Da aber auch bei dieser für eine Querstromfiltration recht hohen Feststoffvolumen-

konzentration von cV = 4 % kein Kuchenaufbau erfolgte, wurde die Drossel für weitere

Versuche hinter den Filterkerzen montiert, um den somit an der Drossel abfallenden

Druckverlust für die Querstromfiltration zu nutzen.


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1.4

Dru

ckve

rlus

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den

Ker

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[bar

]

Permeatstrom

Druckverlust in den Kerzen

Bild 3.16: Permeatvolumenstrom und Druckverlust in den Kerzen in Abhängigkeit des

Suspensionsvolumenstroms des Versuches aus Bild 3.15

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m [

dm³/

min

] Ventil 1 offen, Ventil 2 zu

Ventil 1 zu , Ventil 2 offen

Bild 3.17: Vergleich des Permeatvolumenstroms in Abhängigkeit des Suspensionsvolumen-

stroms und der Permeatabfuhr


In Bild 3.18 ist der Permeatvolumenstrom für eine Blausiegelsuspension mit einer

Feststoffvolumenkonzentration von cV = 4 % und einem eingestellten Vordruck von

pV = 3,5 bar dargestellt. Bei diesen Versuchen ergab sich in den Kerzen ein Kuchenaufbau,

weshalb sich kein konstanter Permeatvolumenstrom einstellt. Zu verschiedenen Zeiten wurde

deshalb bei diesem Versuch für etwa 5 s rückgespült. In dieser Zeit fällt natürlich kein

Permeat an, weshalb der Permeatvolumenstrom hier auf null zurückgeht. Eigentlich müsst am

Durchflussmesser ein negativer Wert angezeigt werden, da das Permeat diesen nun in der

entgegengesetzten Richtung durchfließt, die verwendeten Durchflussmesser waren jedoch nur

für eine Durchströmungsrichtung ausgelegt.

Der Permeatvolumenstrom dieses Versuches liegt trotz des Kuchenaufbaus dreimal höher als

dies bei den Versuchen mit vorgeschalteter Drossel der Fall war. Das Nachschalten der

Drossel hat sich somit auf die Effektivität des Verfahrens sehr deutlich ausgewirkt.

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200

250

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Zeit [s]

Susp

ensi

onsv

olum

enst

rom

[dm

³/m

in]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Per

mea

tvol

umen

stro

m [

dm³/

min

]


cV = 4 %, nur Ventil 1 offen, mit 3,5 bar Vordruck und einer Spülzeit von 5 s

Die Kinetiken des Permeatvolumenstroms in Bild 3.18 scheinen alle einem definierten

Verlauf zu folgen, wie Bild 3.19 zeigt, in dem die einzelnen Permeatvolumenströme über der

Zeit nach dem jeweiligen Rückspülvorgang aufgetragen sind. Dies spricht für eine

vollständige Abreinigung der Kerzen beim Rückspülvorgang.

Mit Hilfe dieses Kinetikverlaufes kann nun für verschiedene Spüldauern die optimale

Filtrationszeit berechnet werden, um einen gemittelten maximalen Permeatvolumenstrom zu


erhalten. Je länger ein benötigter Spülvorgang benötigt, um so mehr Zeit verstreicht, in der

kein Permeat abgezogen werden kann, weshalb der eigentliche Filtrationsvorgang hier länger

dauern sollte, um den maximalen Permeatanfall auszunutzen. In Bild 3.20 ist der gemittelte

Permeatvolumenstrom über der Filtrationszeit aufgetragen. Um dieses Diagramm richtig zu

nutzen muss zunächst die benötigte Spülzeit, mit der eine vollständige Abreinigung der

Kerzen erzielt werden kann, ermittelt werden. Ist diese bekannt, so ergibt sich ein definierter

Verlauf des gemittelten Permeatvolumenstroms. Dieser resultiert aus dem Permeatanfall, der

bis zu einer bestimmten Filtrationszeit angefallen ist, gemittelt auf die Gesamtzeit eines

Filtrations- und Spülvorgangs.

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Zeit nach Spülung [s]

Per

mea

tvol

umen

stro

m [

dm³/

min

]

Bild 3.19: Kinetiken des Permeatvolumenstrom nach verschiedenen Rückspülvorgängen des

Versuches aus Bild 3.18

Für sehr kleine Filtrationszeiten folgt somit ein sehr kleiner Permeatvolumenstrom, da der

Anteil der Spülzeiten an der Gesamtzeit deutlich ansteigt. Geht man beispielsweise von einer

Spülzeit von ÄtSpül = 5 s aus, so wird bei einer Filtrationszeit von ebenfalls tf = 5 s lediglich in

50 % der Betriebsdauer des Querstromfilter filtriert, weshalb der gemittelte

Permeatvolumenstrom auch nur VPermeat,gem = 7 dm³/min beträgt. Verdreifacht man die

Filtrationszeit auf tf = 15 s, so dass sich der Anteil der Spülzeit an der Gesamtbetriebsdauer

auf 25 % reduziert, so kann bereits ein gemittelter Permeatvolumenstrom von

VPermeat,gem = 10,8 dm³/min erreicht werden. Bild 3.20 zeigt, dass die optimale Filtrationsdauer


für einen Spülvorgang von ÄtSpül = 5 s bei tf,opt = 96 s liegt, wobei sich ein gemittelter

Permeatvolumenstrom von VPermeat,gem = 12,5 dm³/min ergibt.

Kann der Spülvorgang auf ÄtSpül = 1 s verkürzt werden, so liegt die optimale Filtrationsdauer

bei tf,opt = 13 s und der gemittelte Permeatvolumenstrom bei VPermeat,gem = 13,6 dm³/min.

Werden für das Spülen hingegen ÄtSpül = 20 s benötigt, sollte tf,opt = 244 s filtriert werden, um

noch VPermeat,gem = 11,6 dm³/min Permeat zu erhalten.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 50 100 150 200 250

Zeit [s]

Mit

tler

er P

erm

eatv

olum

enst

rom

[dm

³/m

in]

Spülzeit 20sSpülzeit 15sSpülzeit 10sSpülzeit 9sSpülzeit 8sSpülzeit 7sSpülzeit 6sSpülzeit 5sSpülzeit 4sSpülzeit 3sSpülzeit 2sSpülzeit 1sMaxima

Spülzeit

Bild 3.20: Gemittelter Permeatvolumenstrom in Abhängigkeit der Spülzeit für die in Bild 3.19

dargestellte Filtrationskinetik, nur Ventil 1 offen

Variiert man den Vordruck, so ergeben sich veränderte Filtrationskinetiken. In Bild 3.21 ist

die bereits aus Bild 3.19 für einen Vordruck von pV = 3,5 bar bekannte Kinetik mit einer

exemplarischen Filtrationskinetik bei einem Vordruck von pV = 3,0 bar verglichen. Durch

eine geringere transmembrane Druckdifferenz fällt weniger Permeat an. Da hierdurch jedoch

auch der Kuchenaufbau innerhalb der Kerzen reduziert wird, ist die Abnahme des

Permeatvolumenstroms mit zunehmender Filtrationsdauer bei dem Vordruck von pV = 3,0 bar

geringer.

Aufgrund der sich mit dem Vordruck ändernden Filtrationskinetik, muss für jeden Vordruck

bei gegebener Spülzeit die optimalen Filtrationszeit und der optimale Permeatvolumenstrom

ermittelt werden. In Bild 3.22 ist der optimale Permeatvolumenstrom über der optimalen

Filtrationszeit für die beiden Vordrücke in Abhängigkeit der Spülzeit miteinander verglichen.

Aufgrund der langsameren Kinetik bei dem kleineren Vordruck muss der Filtrationsvorgang


bei gegebener Spülzeit länger betrieben werden, um den optimalen Permeatvolumenstrom zu

erhalten. Dieser liegt aufgrund des geringeren Potentials deutlich unter dem Permeatvolumen-

strom des höheren Vordrucks.

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0 50 100 150 200 250

Zeit nach Spülvorgang [s]

Per

mea

tvol

umen

stro

m [

dm³/

min

]

Vordruck 3,0 bar

Vordruck 3,5 bar

Bild 3.21: Exemplarische Kinetiken des Permeatvolumenstrom bei verschiedenen

Vordrücken, nur Ventil 1 offen

Nicht berücksichtigt ist in dieser Rechnung jedoch die Menge an Permeat, die durch das

Rückspülen wieder in die Suspension zurückgepresst wird. Je länger der Spülvorgang

benötigt, um so mehr Permeat wird auch wieder zurückgespült und die Effektivität des

Verfahrens wird verschlechtert, weshalb dies nochmals für eine möglichst kurze Spülzeit

spricht.

Eine weitere Steigerung des Vordruckes konnte mit der Anlage leider nicht realisiert werden,

da bereits bei den hier gewählten Vordrücken von 3 bar und 3,5 bar Probleme beim Betrieb

der Anlage auftraten. So bestand die Verrohrung der Anlage aus Plastikrohren, die über

Schnellsteckverbindungen verschraubt wurden. Die Schnellsteckverbindungen selbst waren

jedoch nur über Haftreibung mit den Rohren befestigt, weshalb sie sicherheitstechnisch für

höhere Drücke nicht geeignet sind, selbst die Realisierung der gezeigten Versuche war nur

mit erhöhter Vorsicht und unter ständiger Überprüfung der Verbindungen möglich.

Teilziel 2 3.3.3 Fazit der Querstromfiltrationsversuche 101

10

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

0 50 100 150 200 250 300 350 400

optimale Filtrationzeit [s]

opti

mal

er P

erm

eatv

olum

enst

rom

[dm

³/m

in]

Vordruck 3,5 bar

Vordruck 3,0 bar

1s1s

2s

2s

3s

3s

4s5s

4s

5s 6s

6s7s

8s9s 10s

7s 8s

Bild 3.22: Optimaler Permeatvolumenstrom und optimale Filtrationszeit in Abhängigkeit von

Spülzeit und Vordruck für die in Bild 3.19 dargestellte Filtrationskinetik

3.3.3 Fazit der Querstromfiltrationsversuche

Um an der von NIICHIMMASH gelieferten Querstromfiltrationsapparatur wissenschaftlich

sinnvolle Untersuchungen durchführen zu können, mussten am Institut für MVM etliche

Umbauten getätigt werden. Neben einer vollständig neuen Elektrik und dem Einbau eines

Messwerterfassungssystems wurde zusätzlich eine Drossel eingebaut, um den

Suspensionsvolumenstrom und die transmembrane Druckdifferenz variieren zu können. Mit

Hilfe dieser Maßnahmen lies sich der Permeatvolumenstrom von etwa 2 dm³/min auf mehr als

13 dm³/min steigern.

Problematisch hierbei bleibt, dass ein gemeinsamer Betrieb beider Kerzen aufgrund deren

Rückwirkung nicht möglich ist. Es wurde deshalb auf eine Optimierung des Permeatanfalls an

Kerze 1 wertgelegt. Aber auch diese optimierte Versuchsdurchführung zeigt Schwächen der

Anlage. So ist die Verrohrung für die gewählten Vordrücke eigentlich nicht geeignet, die

Kerzen sollten für eine gleichmäßigere Nutzung der Filterfläche horizontal statt vertikal

angebracht sein und auf eine getrennte Permeatabfuhr zur Vermeidung von Rückwirkungen

ist zu achten. Eine sinnvolle Beurteilung der gelieferten Keramikkerzen ist mit dieser

Apparatur leider nicht möglich.

4 Teilziel 3: Organisation und Durchführung eines Work-shops zur Abwasser- und Schlammbehandlung in Moskau

Dieses Teilziel diente insbesondere dazu, das Projekt russischen Unternehmen bekannt zu

machen, Erfahrungen auszutauschen und mögliche zukünftige Projekte zu identifizieren.

Das Symposium fand vom 3. bis 5. April 2001 in Moskau in den Räumen von

NIICHIMMASH statt. Der Titel des Symposiums lautete:

„Modern Processes for Waste Water Treatment and Sludge Dewatering“

Organisiert und durchgeführt wurde der Workshop von NIICHIMMASH, dem Institut MVM

und Bokela, wobei Dr. Gutin und Prof. Stahl den Symposiumsvorsitz hatten. Die folgende

Tabelle zeigt das offizielle Symposiumsprogramm.

Tabelle 4.1: Offizielles Programm des Symposiums

Time Date Lecturer Company

Dienstag, 3. April

09:00-09:30 Registration

09:30-10:00 Opening Ceremony and Introduction of

NIICHIMMASH

Dr. Rakov NIICHIMMASH

10:00-10:30 Introduction of Bokela Dr. Bott BOKELA

10:30-11:00 Introduction of MVM Prof. Stahl Institut MVM

11:00-11:30 Coffee Break

11:30-12:00 Packed plants for industrial waste water

treatment

Dr. Gutin NIICHIMMASH

12:00-12:30 General scheme of Solid-Liquid Separation

Techniques

Dr. Anlauf Institut MVM

12:30-13:00 Vacuum Drum and Disc Filters:

Conventional and Special Bokela Design –

“Boozer” Drum and Disc Filters

Dr. Bott BOKELA

13:00-14:00 Lunch Break

14:00-14:30 Modern Filter Cloth I. Wetzel SEFAR

14:30-15:00 The impact of economy sectors on water V.V. Strelov NPO

Teilziel 3 Organisation und Durchführung eines Workshops 103

basins in Perm region Neogranicheskie

materially, Perm

15:00-15:30 Filtration with compressible filter cakes K. Weber Institut MVM


16:00-16:30 Hyperbar- and Steam Filtration – Filter &

Plant Design, Feasibility and Typical

Process Results

C. Viet BOKELA

16:30-17:30 The use of continuous belt filter presses for

processing water/coal slurries

G. J.

Goldberg

IOOTT, Russia

17:30-19:00 Buffet and Discussion among Delegates

and Companies

Mittwoch, 4. April

09:00-09:30 Formation of filter cakes under gas

pressure and in centrifugal field

Prof. Stahl Institut MVM

09:30-10:00 Filter Presses, Automatic Press Filters,

Double Wire Press, Bokela Development

(W.A.P.)

Dr. Bott BOKELA

10:00-10:30 Press-Electro-Filtration K. Weber Institut MVM

10:30-11:00 Fibre-Charge Filters V. A.

Tolkachev

VNIICHT,

Moscow


11:30-12:00 Bulk forming by sedimentation in the

gravity or centrifugal field

Dr. Anlauf Institut MVM

12:00-12:30 Gravity thickeners and clarifiers Prof. Stahl Institut MVM

12:30-13:00 Ferroalloy production waste water

treatment JSC Chusovsky metallurgical

works

S.P. Frolov JSC Chusovsky

metallurgical

works, Russia

13:00-14:00 Lunch Break

14:00-14:30 The use of chamber filter presses with

upper suspension vertical plates for t of the

upper suspension for treatment facility

cake dewatering

V. A.

Chernikov

Scientific-

production

company

„Vostachnaya

Ukraine“,

Kharkov

14:30-15:00 Decanter centrifuges Prof. Stahl Institut MVM

15:00-15:30 Cross-flow micro and ultrafiltration for

waste water treatment and polishing

R.A.

Mamigonjan

NIICHIMMASH

104 Organisation und Durchführung eines Workshops Teilziel 3

15:30-16:00 Membrane Filtration by a Shear Stress

Process – the DYNO Filter

C. Viet BOKELA


16:30-17:30 The galvanocoagulation method of waste

treatment and waste reclamation

L.P.

Sokolova

Cvetmetobrabotka,

Russia

17:30-19:00 Buffet and Discussion among Delegates

and Companies

Donnerstag, 5. April

09:00-09:30 New Capacities in Filtration and Sludge

Dewatering by Filter Optimization

Dr. Bott BOKELA

09:30-10:00 Slurry Pretreatment Dr. Anlauf Institut MVM

10:00-10:30 Information of Institute

GIPROGAZOOCHISTKA

I.V.

Ermakov

ÃÈÏÐÃÀÇÎ -

Î×ÈÑÒÊÀ,

Moscow

10:30-11:00 Standard treatment plants of physico-

chemical processing ENIVRO-CHEMIE

SPLIT-O-MAT

M.

Chebotaeva

Enviro-Chemie

GmbH, Germany


11:30-13:00 Introduction of Water Cleaning Plants by

Participants and Discussion of Specific

Solid-Liquid-Separation Problems

NIICHIMMASH,

BOKELA,

Institut MVM

13:00-14:00 Conclusions and closing Ceremony

Etwa 40 externe Teilnehmer nahmen an dem Symposium teil. Die Vorträge wurden von

deutscher Seite auf englisch vorgetragen und von zwei Dolmetschern ins russische übersetzt.

Russische Vorträge wiederum wurden ins englische übersetzt.

Zwei Bilder des Workshops sind in Bild 4.1 und Bild 4.2 gezeigt. Aufgrund der zahlreichen

Teilnehmer fanden im Anschluss an die Vorträge und in den Pausen interessante

Diskussionen statt. Diese verdeutlichten den Nachholbedarf der russischen Industrie an

Know-How im Bereich der Fest-Flüssig-Trennung. In wie weit sich aus diesen Gesprächen

konkrete weitere Projekte realisieren lassen, muss die Zukunft zeigen

Teilziel 3 Organisation und Durchführung eines Workshops 105

Bild 4.1: Vortrag von Prof. Stahl im Rahmen des Workshops

Bild 4.2: Räumlichkeiten und Publikum des Workshops

5 Symbolverzeichnis

Lateinische Buchstaben:

B Breite mm

C Schleuderziffer, Vielfaches der Erdbeschleunigung -

cV Feststoffvolumenkonzentration -

d Durchmesser mm

da Aussendurchmesser mm

di Innendurchmesser mm

gi Gewichtungsfaktor -

H Höhe mm

L Länge mm

M Masse kg

n Kompressibilitätskoeffizient Kuchenwiderstand (Gl.5.2) -

pabs Absolutdruck bar

ps Feststoffgerüstdruck N/m2

ps,0 Anfangsgerüstdruck N/m2

pV Vordruck bar

SV volumenspezifische Oberfläche m-1

T Tiefe mm

t Zeit s

tf Filtrationszeit s

tf,opt optimale Filtrationszeit s

V Volumen m3

VPermeat, gem gemittelter Permeatvolumenstrom dm³/min

Vs Suspensionsvolumenstrom

x50,3 mittlere Partikelgröße µm

x90,3/x10,3 Verteilungsbreite -

Zi Teilziel bei der Nutzwertanalyse -

Äp Druckdifferenz bar

ÄtSpül Spülzeit s

Symbolverzeichnis 107

Griechische Buchstaben:

á massenspezifischer Kuchenwiderstand m/kg

á0 massenspezifischer Kuchenwiderstand bei ps = 0 m/kg

â Kompressibilitätskoeffizient Porosität (Gl. 5.1) -

å Porosität -

å0 Porosität bei ps = 0 -

ñs Feststoffdichte kg/m³

6 Literaturverzeichnis

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Zhu, Q. Z.: Eindickung hochkonzentrierter Suspensionen im Hyperkonzentrator, Dissertation, Universität Karlsruhe (1997)

Anhang

A1 Laborversuche

A1.1 Vakuumfiltrationsversuch

Für die Durchführung von Vakuumfiltrationsversuchen wird ein Büchner-Trichter oder besser eine Handfilterplatte verwendet. Die Handfilterplatte besteht aus einer Fassung, in die die Zelleneinlage und das Filtermedium eingespannt werden. Die Filterfläche sollte nicht viel kleiner als 100 cm2 sein, um Nebeneffekte und Ungenauigkeiten zu vermeiden. Unterhalb des Filtermediums befindet sich ein Ventil, über das mittels einer Vakuumpumpe Unterdruck aufgesteuert und Filtrat abgesaugt wird. Das Filtrat gelangt in einen Filtratabscheider. Bei der Auslegung von Vakuumtrommel- oder Scheibenfiltern wird die Handplatte in die Suspension eingetaucht, im Falle von Bandfiltern oder Vakuumnutschen kann die Handfilterplatte auch von oben beaufschlagt werden (nach Montage eines Suspensionsringes). Die Zugabe der Suspension entspricht also dem jeweiligen Anwendungsfall. Auch das Filtermedium muss geeignet gewählt werden. Der Unterdruck liegt bei der Versuchsdurchführung zwischen 0,2 und 0,7 bar (Abwasserstandard: 0,49 bar = 386 mm Hg). Meist wird mit verschiedenen Kuchenbildungs- und Trockensaugzeiten gearbeitet, d.h. die Handfilterplatte wird z.B. 30, 60, 120 und 240 Sekunden eingetaucht. Die Trockensaugzeit beginnt, sobald die Filterplatte aus der Suspension gezogen wird bzw. sobald der Flüssigkeitsspiegel die Kuchenoberfläche erreicht hat (bei Beaufschlagung von oben). Während des Versuches bzw. danach werden folgende Daten notiert: Filtrationszeit, Kuchendicke, Filtratvolumen, Druckdifferenz, Trockensaugzeit, Kuchengewicht (nass und trocken) und wenn möglich zur Entfeuchtung benötigte Luftmenge. Anhand dieser Daten lassen sich die spezifische Filtrationsleistung (Filtratanfall oder gebildete Kuchenmasse pro Zeit und Filterfläche) und die Kuchenrestfeuchte in Abhängigkeit der Kuchendicke und der Trockensaugzeit ermitteln. Trägt man die Zeit pro akkumuliertem Filtratanfall über dem akkumulierten Filtratanfall auf, so lassen sich aus der Kurvensteigung und dem Achsenabschnitt der spezifische Filtrationswiderstand und der Filtermediumswiderstand bestimmen (t/V-über-V-Diagramm). Zur Ermittlung der Kuchenbildungsrate dividiert man die Kuchendicke durch die Kuchenbildungszeit.

A 1.2 Sedimentationsversuch

Der Sedimentationsversuch wird in einem einfachen 1 Liter-Standzylinder durchgeführt. Ziel des Versuches ist es, die Sedimentationsrate der Partikeln sowie die Klarheit des Überstandes zu bestimmen.

112 Laborversuche Anhang A1

Der Versuchsablauf kann wie folgt beschrieben werden. Zunächst wird die

Feststoffkonzentration der zu untersuchenden Suspension ermittelt. Anschließend wird der

Standzylinder bis zur 1 Liter-Marke gefüllt und danach geschüttelt, um Klassiereffekte zu

vermeiden. Nun wird der Zylinder auf eine ebene Oberfläche gestellt und es werden in

geeigneten Intervallen die Höhe des Trennspiegels zwischen klarem Überstand und

sedimentierendem Feststoff (mit Hilfe der Markierungen am Standzylinder) und die

dazugehörige Zeit gemessen. Bleibt der Überstand trüb bzw. ist die Sedimentationsrate zu

gering (< 0,1 cm/s), sollte der Versuch unter Zusatz von Flockungsmittel wiederholt werden.

Nachdem sich der Feststoff abgesetzt hat, werden das Volumen des Sediments und die

Klarheit des Überstandes notiert. Die anfängliche Sedimentationsrate wird bestimmt, indem

die Höhe des Trennspiegels über der Zeit aufgetragen wird und die Steigung des Graphen zu

Beginn des Versuches ermittelt wird. Der Versuch sollte mehrmals wiederholt werden, um

Reproduzierbarkeit der Daten zu gewährleisten.

A 1.3. Versuche mit einer Labordrucknutsche

Die Labordrucknutsche arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die in Kapitel 3.4.2

beschriebene Drucknutsche. Sie besteht aus einem zylindrischen Druckbehälter, an dessen

unterem Ende sich der sogenannte Kuchenbildungsring befindet, der über ein Lochblech und

ein grobes Stützgewebe das Filtertuch trägt. Das Filtrat kann durch eine Bohrung an der

Unterseite auf eine Waage ablaufen, wo die Filtratmenge erfasst wird. Der variabel

einstellbare Gasdifferenzdruck (bis zu 16 bar) wird mittels komprimierter Luft aufgebracht.

Im oberen Deckel des Zylinders ist zur visuellen Kontrolle des Filtrationsvorganges ein

Schauglas angebracht.

Nach dem Einfüllen der Suspensionsprobe wird die Nutsche verschlossen und die

Druckluftstrecke freigegeben. Während des Filtrationsversuches kann die Kuchenhöhe unter

Druck gemessen werden. Daneben werden die Zeit, das Filtratvolumen sowie die

Kuchenmasse (nass und trocken) erfasst. Der Versuch wird beendet, sobald der

Flüssigkeitsspiegel die Kuchenoberfläche erreicht (Schauglaskontrolle). Aus den gemessenen

Daten können die Kuchenporosität, die Kuchenbildungsrate sowie der spezifische

Kuchenwiderstand und der Filtermediumswiderstand bestimmt werden (t/V-über-V-

Diagramm). Dank des variabel einstellbaren Druckes eignet sich die Labordrucknutsche zur

Auslegung verschiedenster Filtrationsapparate. Für eine ausführliche Beschreibung des

Versuchsablaufes und der Auswertung vergleiche [Alles].

A 1.4. Versuche mit einer C-P-Zelle (Kompressions-Permeabilitäts-Zelle)

Ähnlich wie die Drucknutsche ist die C-P-Zelle für einen maximalen Druck von 16 bar ausgelegt. Sie wird zur Erfassung des kompressiblen Materialverhaltens von Haufwerken

Anhang A1 Laborversuche 113

verwendet (Auslegung von Pressapparaten). Die Zelle besteht aus einem Druckbehälter, der nach unten vom Filtermedium begrenzt wird. Darunter befindet sich der sogenannte Filtratablaufboden, der sich auf eine Kraftmessdose abstützt. Das Filtrat läuft nach unten ab und wird auf einer Waage gesammelt. Der Pressdruck wird mittels eines axial verschieblichen, pneumatischen Kolbens aufgebracht, der die obere Begrenzung der C-P-Zelle bildet. Bei Pressversuchen ist der Kolbenausgangspunkt die Kuchenoberfläche. Der gewünschte Druck wird manuell eingestellt. Während der Pressung des Kuchens werden die Kuchenhöhe und der Pressdruck erfasst. Für Durchströmungsversuche kann Flüssigkeit durch das Haufwerk gepresst werden (unter voreingestelltem Druck). Die anfallende Filtratmasse wird mittels einer Waage gemessen. Nach Versuchsende werden Feucht- und Trockenmasse des Kuchens bestimmt. Aus den Daten können die Verläufe der Haufwerksporosität und des spezifischen Kuchenwiderstandes in Abhängigkeit des Pressdrucks ermittelt werden. Für eine genaue Beschreibung der Versuchapparate vergleiche wiederum [Alles].

A2 Tafeln und Tabellen zur Apparateauswahl

A2-1 Beitrag von Davies

Anhang A2 Tafeln und Tabellen zur Apparateauswahl 115

A2-2 Beitrag von Wetzel

A2-3 Beitrag von Day

116 Tafeln und Tabellen zur Apparateauswahl Anhang A2

A2-4 Beitrag von Tiller

A2-4a)

A2-4b)


A2-5 Beitrag von Fitch


A2-6a)

Fragebogen für die Auswahl von Fest-Flüssig-Trenngeräten

Beschreibung des Schlammes

1. Wie groß ist die Absetzgeschwindig-

keit der abzutrennenden Teilchen? > 5 cm/s C 0,1 – 5 cm/s D 0,02 – 0,1 cm/s E < 0,02 cm/s F

2. Wie hoch ist die Feststoffkonzentration

im Zulauf? > 4 Gew.-% G 0,1 – 4 Gew.-% H 1 – 1000 ppm I

3. Wie hoch ist der Dampfdruck der

Flüssigkeit unter Prozessbedingungen? < 20 kPa KE*

20 – 50 kPa J > 50 kPa K

4. Wie hoch ist der gewünschte

Durchsatz? > 1.100 l/min L 100-1.100 l/min M < 100 l/min N

5. Sind die zu verarbeitenden Stoffe

toxisch, entflammbar oder explosiv? Ja O Nein KE*

6. Ist emulgiertes Öl anwesend?

Nein KE* Ja Warnung Nr. 5 beachten

Beschreibung des Prozesses 7. Was ist das Ziel der Trennoperation?

Gewinnung klarer Flüssigkeit P Gewinnung des Feststoffs Q beides P u. Q beachten

8. Ist das Hinzufügen von Chemikalien zur Verbesserung der Trennung zulässig? Ja R Nein S

9. Können Filtermedien verwendet

werden, die nach Gebrauch verworfen werden? Ja KE* Nein T

10. Was ist die gewünschte Konsistenz

des ausgetragenen Feststoffes? rieselfähig U fließfähig V keine Vorgaben KE*

11. Ist im Feststoff verbliebene Flüssigkeit

bzw. Im Filtrat enthaltener Feststoff kritisch für den Prozess? Ja W Nein KE*

12. Ist die Zulaufrate im stündlichen Mittel

konstant? Ja KE* Nein X

13. Was ist die gewünschte Betriebsweise?

kontinuierlich Y Diskontinuierlich Z keine Vorgaben KE*

*KE: Kein Einfluss auf die Auswahl


A2-6b)



A2-6c) Warnhinweise

Warnung Nr. 1

Einige Trenngeräte, deren Trennprinzip nicht auf Gewichts- bzw. Zentrifugalkraft basiert,

können unkorrekterweise durch zu niedrige Absetzgeschwindigkeit des Feststoffs eliminiert

werden, die entweder durch zu hohe Flüssigkeitsviskosität oder zu niedrige Dichtedifferenz

zwischen Feststoff und Flüssigkeit (weniger als 0,3 g/cm3) hervorgerufen wird. Bei Fällen in

denen die Partikeln zu fein sind, um abgeschieden zu werden, sollte Warnung Nr. 5 sorgfältig

beachtet werden.

Warnung Nr. 2

Die Feststoffkonzentration des Zulaufs könnte für eine Klärung zu hoch sein. Bei

Durchsätzen größer als etwa 100 l/min empfiehlt es sich, die Trennaufgabe auf zwei Geräte zu

verteilen: Ein Trenngerät um den Hauptteil des Feststoffes abzutrennen, und einen Polierfilter

um das Filtrat möglichst vollständig zu reinigen. Durchlaufen sie die Auswahlprozedur ein

zweites Mal unter der Voraussetzung zweier in Serie geschalteter Geräte, und sie werden

bessere Resultate erhalten.

Warnung Nr. 3

Filtermedien, die nach Gebrauch verworfen werden und umweltgefährdende Schlämme lassen

sich meist nicht miteinander vereinbaren. Filtereinsätze oder Filterhilfsstoffe enthalten

normalerweise eine beachtliche Menge an Feststoff oder Filtrat. Im Falle umweltgefährdender

Schlämme kann dies die Entsorgungskosten beträchtlich erhöhen.

Warnung Nr. 4

Im Falle, dass der Feststoff als möglichst trockener Kuchen anfallen soll gilt: Da sowohl die

Investitionskosten als auch die Betriebskosten von Geräten, die einen relativ trockenen

Kuchen produzieren im Allgemeinen recht hoch sind, ist es oft wirtschaftlicher, verdünnte

Suspensionen einzudicken bevor sie mit solchen Geräten entwässert werden. Dies gilt

besonders bei vergleichsweise hohen Durchsätzen.

Warnung Nr. 5

Es gibt Trennaufgaben, bei denen dieses Auswahlschema versagen könnte. Dazu gehört die

Verarbeitung von Öl-Wasser-Gemischen, quellender Substanzen und Suspensionen mit einem

hohen Anteil an organischen Stoffen wie z.B. Fruchtsäfte, Bier, Wein, Fermentationsbrühen,

Proteine, Zuckersirup, Bakterien und Algen. In allen genannten Fällen treten extrem feine

Feststoffpartikeln auf (siehe Warnung Nr.1), die hohe Filtrationswiderstände erzeugen und

die, außer durch den Einsatz von Filterhilfsmitteln oder Membranen, nur schwer abzutrennen

sind. Einige von den Autoren angestellte Annahmen könnten unzulässig sein. Bitte

konsultieren sie einen Experten bevor sie weiter mit der Apparateauswahl voranschreiten.


A2-7 Beitrag von Pierson

A2-7a)

A2-7b)


A2-7c)

A2-7d)


A2-7e)

A2-8 Beitrag von Purchas (Wakeman und Tarleton)

A2-8a)


A2-8b)

A2 8c)


A2-9 Beitrag von Wakeman und Tarleton

A2-9a)





A2-9 b)



A2-10 Beitrag von Lavanchy et al.


A2-11 Beitrag von Quilter (in Rushton [1996])

A2-12 Beitrag von Gasper [2000]


A2-13 Beitrag von Blaß [1989]


Date post:	14-Jan-2020
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