Ausgelegt und optimiert - Filtra Guide

Filter-/Trenntechnik
Ausgelegt und optimiert
Genaue Filterversuche zur Fest-Flüssig-Trennung
Filter für die Fest-Flüssigtrennung werden auf Grundlage von Filterversuchen ausgelegt und
optimiert. Mit diesen Versuchen werden die filtrationsspezifischen Produkteigenschaften
bestimmt, insbesondere der Filterkuchen- und der Filtermittelwiderstand. Kontinuierliche
Filter mit Kuchenbildungszeiten zwischen etwa 10 und 100 sec verlangen genaue Auslegungswerte.
Die richtige Auswahl der Versuchsausrüstung erlaubt sehr genaue Messwerte.
Die hier vorgelegte Darstellung gibt Ratschläge zur Messausrüstung um eine gute
Genauigkeit zu erreichen. Auf eine geeignete Darstellung der Versuchsdurchführung wird
verwiesen, die Versuche werden hier kurz beschrieben. Die Auswertung der Versuche ist
z.B. nach der entsprechenden VDI-Richtlinie möglich.
Josef W. Tichy Die Bestimmung
des Kuchenwiderstandes ist relativ
unproblematisch. Damit oder mit
der Kuchenaufbauzeit wird die
filteraktive Fläche des Apparates
bemessen. Produktschwankungen
und sonstige Einflüsse werden
durch Sicherheitszuschläge berücksichtigt.
Dagegen galt die Bestimmung
des Filtermittelwiderstandes
bisher als schwierig. Er soll nach
heute gängigen Richtlinien gering
sein, etwa 5 %, max. 10 % des
Gesamtwiderstandes, vgl. VDI-
Richtlinie 2762. Das Filtermittel sei
bei höheren Anteilen als ungeeignet
anzusehen. Mit Filtermittelwiderstand
wird der Widerstand
bezeichnet der durch den Kontakt
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von Feststoff und Filtermittel gemessen
wird. Dieser Wert ist erheblich
höher als der so genannte
Wasserwert – der Durchflusswiderstand
der reinen Flüssigkeit durch
ein sauberes Gewebe.
Für kontinuierliche Filter gelten
die publizierten Richtwerte für den
Filtermittelwiderstand nicht. Hier
wurden vom Autor bei einigen Betriebsfiltern
durchschnittlich 25 bis
30 % gefunden, es sind sogar 50 %
sicher bestimmt worden. Das Filtermittel
hatte also mitunter so viel
Druckverlust wie der Filterkuchen.
Deutlich geringere Widerstände
wurden fast nicht gefunden. Für
eine optimale Auswahl des Filtermittels
und eine exakte Filterausle-
gung muss dieser Widerstand
genau bestimmt werden. Die bisherige
Praxis der Filterversuche
lässt aber die sichere Bestimmung
kaum zu. Durch geeignete/optimale
Zusammenstellung der Messtechnik
wird die Genauigkeit bei der Bestimmung
des Filterkuchen- und
des Filtermittelwiderstands erheblich
verbessert. Erster Schritt ist
also Auswahl der Messgeräte und
Beurteilung der Messgenauigkeit.
Messgeräte
Stand der Technik sind Filterversuche
auf einem Laborfilter mit
20 cm 2 Filterfläche. Ein geeignetes
Filter und die Arbeitsweise damit
ist im Internet vorgestellt beispielsweise
unter
http://www.fitest.bhs-sonthofen.de
oder unter
http://www.jwtichy.de/vt/.
Im vorliegenden Bericht wird
davon ausgegangen, dass die Erfassung
des Filtrats durch eine Waage
erfolgt die von einem Rechner ausgelesen
wird. Das Ergebnis liegt
als Zeit-Gewicht-Tabelle vor.
Messzylinder sind für Volumenmessungen
üblich. Sie haben Genauigkeiten
von etwa 1 % des maximalen
Füllvolumens. Einerseits
wird damit die Flüssigkeitsdichte
bestimmt zur Filtraterfassung mit
der Waage. Hier wäre ein Pyknometer
die beste Wahl. Mit Messzylindern
wird die Dichte von Filtrat
und Suspension nicht besser als
auf 1 % genau bestimmbar sein.
TRICK: Messzylinder mit Wasser
von 25 °C füllen – es hat eine
Dichte von
0,998 kg/l, bei 15 °C 0,999 kg/l –
und erlaubt so auf einfache Art
eine Kalibrierung. Andererseits
wird mit den Messzylindern auch
die für den Filterversuch benötigte
Menge Suspension abgemessen.
Hier sollte eine gute Genauigkeit

geübt werden – eine Kontrolle der
Suspensionsmenge über die Waage
ist sehr zweckmäßig.
Manometer zur Druckmessungen
sind schnell und ausreichend
genau für die Messaufgabe. Drucksensoren
sollten nur verwendet
werden wenn sie schnell sind, also
besser als 20 Hz und auf 10 bis
20 mbar genau.
Der Waage für die Erfassung der
Filtratmenge ist besonderes Augenmerk
zu schenken. Die Maximallast
darf nicht zu gering sein – 4
bis 8 kg sind ein guter Wert. Dabei
soll die Auflösung 0,01 g sein, gröbere
Auflösungen machen spätestens
bei schlecht filtrierenden
Stoffen Probleme. Wer die Wahl
hat nimmt eine Waage mit Biegebalken.
Magnetische Waagen sind
deutlich stärker gedämpft. Hier
müssen für gute Ergebnisse alle
Filter ausgeschaltet oder auf minimal
gesetzt werden um Fehler
durch Nachhinken der Anzeige zu
minimieren. Das Auslesen der
Daten durch den Rechner erfolgt
über eine Schnittstelle. Sinnvoll
ist eine serielle Schnittstelle die
9600 Baud erreichen sollte. Wichtig
ist auch, dass die Waage in gleichen
zeitlichen Intervallen ihre
Werte an den Rechner meldet.
Optimale wäre also eine Waage
mit 4 bis 8 kg Tragkraft, 0,01 g
Auflösung und einer Schnittstelle
an der der Gewichtswert mit 10 Hz
ansteht ohne dass die Waage mit
Steuerkommandos abgefragt werden
muss.
Da die Waage einen seriellen
Anschluss hat kann der Gewichtswert
einfach darüber ausgelesen
werden. Eine gute, sehr preisgünstige
Software für die Datenerfassung
ist für rund 30 Euro
erhältlich von MultiMES unter
http://www.multimes.de/ und kann
als Shareware bis zu 30 Tage getestet
werden. Das Einlesen erfolgt
mit wählbarer Geschwindigkeit.
Übliche Rechner haben keinerlei
Geschwindigkeitsprobleme bei der
Datenerfassung mit den hier vorgestellten
Geschwindigkeiten.
Der Filtrationsdruck wird bei
der beschriebenen Nutsche mittels
Pressgas erzeugt. Dafür ist ein
kleiner Druckminderer erforderlich.
Hier sollte ebenfalls auf eine
gute Regelgeschwindigkeit geachtet
werden um schleichenden Druckanstieg
innerhalb des Filters zu
vermeiden – was sich auf die Messgenauigkeit
auswirkt aber nur
schwer erkennbar ist.
Weitere Versuchsausrüstung ist
die übliche Laborausstattung wie
sie z.B. auf der bereits genannten
Internetseite FiTest unter „Platzbedarf
und Ausrüstung“ aufgelistet ist.
Versuche
Nun kann ein Filterversuch durchgeführt
werden. Die Suspension
wird bereitgestellt und genau abgemessen.
Nach dem Einfüllen der
Suspension und Verschließen des
Filter wird die Messung gestartet.
Eine gewisse Schwierigkeit besteht
darin den Anfangszeitpunkt
der Filtration zu erkennen. Es ist
daher sinnvoll die Datenerfassung
zu starten bevor Druck auf das
Filter aufgegeben wird. Die Verzögerung
bis zum tatsächlichen
Anfall von Filtrat beträgt dann
wenige Sekunden und lässt sich
bei der Auswertung – z.B. in einer
Tabellenkalkulation – einfach als
Theorie
Konstante abziehen. Das Ende der
Filtration ist sicher zu erkennen.
Das Ergebnis der Messung ist
die bereits genannte Liste mit den
Messwerten für das Filtratgewicht
und die dazugehörige Messzeit.
Die Übertragung in eine Tabellenkalkulation
erlaubt eine passende
Darstellung der Filterkurve, siehe
Bild 1. Hier ist eine sehr schnelle
Filtration dargestellt bei der ein
Filterkuchen mit 12 mm Dicke
in knapp 10 Sekunden anfiltriert
wird. Bei dieser Filtrationsgeschwindigkeit
wird eine Messung
mit Stoppuhr nur sehr geringe
Genauigkeit der verlangten Filtrationsparameter
ergeben.
Im Bild 1 ist ein Punkt hervorgehoben:
318,87. Er bezeichnet die
Filtratmenge die gegen Ende der
vorgestellten Messung angefallen
ist. In Bild 2 ist die weitere Auswertung
entsprechend der heute
üblichen Kurvenauftragung (siehe
Kasten) dargestellt.
Aus der – unteren – Kurve mit
der t/V – V – Auftragung kann
der Filterkuchenwiderstand einfach
ausgerechnet werden. Die zusätzliche
Darstellung der dt/dV – V –
Auftragung zeigt an der Stelle der
eben genannten Filtratmenge von
318,87 g einen drastischen Abfall
der beim Eindringen von Pressgas
Filter-/Trenntechnik
Die Filtertheorie basiert auf hydraulischen Arbeiten von Darcy (1803-1858) der den flächenspezifischen Flüssigkeitsstrom als Funktion des
Differenzdruckes Δp, des hydraulischen Widerstandes R und der Viskosität η berechnete.
Δp
q =
R η
Bei der Kuchenfiltration besteht der Widerstand aus dem mit steigender Kuchendicke ansteigenden Kuchenwiderstand und dem Filtermittelwiderstand.
Für die Filtration bei konstantem Druck und konstantem Feststoffgehalt im Zulauf hat sich die Darstellung des zeitlichen Filtratanfalls in einem Diagramm
t/V= f(V) durchgesetzt. Unter Berücksichtigung des spezifischen Kuchenwiderstandes rK , der Filterfläche A und des Filtermittelwiderstandes RM
erhält man für diesen Fall aufgrund von theoretischen Überlegungen die Gleichung
für das Filtratvolumen V. In Diagrammform ist dies eine Gerade mit der Steigung b/2 und dem Achsabstand a. Die Steigung b/2 ist proportional dem
Filterkuchenwiderstand und der Achsabstand ist proportional dem Filtermittelwiderstand. Beide Werte sind aus diesen Zusammenhängen berechenbar.
in den Kuchen entsteht. Damit ist
gezeigt, dass bei dieser Messdatenerfassung
auch solche Vorgänge
sicher erfasst werden die bei geringeren
Erfassungsfrequenzen nicht
sichtbar werden.
Damit ist vorgestellt, dass neben
dem Filtrationsbeginn auch das
Ende der Filtration auf Sekundenbruchteile
genau erfasst wird.
Diese Genauigkeit schlägt sich bei
der Auswertung in genauen Werten
von Filterkuchen- und Filtermittelwiderstand
nieder. Damit ist
die Überwachung von bestehenden
Filtern – oder die Auslegung von
neuen Apparaten – mit guter Genauigkeit
möglich.
Dipl.-Ing. Josef W. Tichy ist Leiter
Forschung und Entwicklung im Bereich der
Filtertechnologie bei
BHS - Sonthofen GmbH
Hans-Böckler-Straße 7
87527 Sonthofen
Tel.: 08321/802-371
Fax: 08321/802-320
josef.tichy @ bhs-sonthofen.de
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