Anlauf, Bild: GKD

Durch die hohe Porosität punktete das GKD-Gewebe Porometric mit guten Filtrationseigenschaften und sehr guter Regenerationseigenschaft. Bild: GKD

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

Abreinigungsverhalten 1,  Bild: Patrik Morsch
Abreinigungsverhalten des GKD-Gewebes Porometric im Test. Bild: Patrik Morsch

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

Patrick Morsch: Kleine Partikel bilden sehr kleine Porendurchmesser im Filterkuchen, die schon bei geringer Kuchendicke zu hohem Strömungswiderstand führen. Der schnell absinkende Filtratstrom vermindert die Effizienz erheblich. Gelingt es nicht, den Kuchen durch Strömungsumkehr zu entfernen und bleiben Fragmente haften, dann ist weitere Rückspülung wirkungslos: Das benötigte Rückspülvolumen steigt und die Prozessleistung sinkt.

Abreinigungsverhalten 2, Bild: Patrik Morsch
Bild: Parick Morsch

Wann ist das eine typische Herausforderung?

Wenn die in einer Suspension dispergierten Partikel kleiner sind als 20 μm. Klassische Applikationen sind Titanoxid, Feinchemikalien, Edelmetallkatalysatoren, Speiseöle und -fette sowie Farben und Pigmente. Grundsätzlich sind Durchfluss und Rückspülbarkeit aber in jeder Fest-Flüssig-Trennung Schlüsselfaktoren für die Prozesseffizienz.

Was war das Ziel der Untersuchungen?

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

Tressengewebe, Bild: GKD
Optimierte Tressengewebe aus Edelstahl von GKD beulen bei Maschenweiten < 10 μm nicht aus und übertreffen bei Rückspülvolumen und Qualität der Abreinigung alle anderen getesteten Gewebe. Bild: GKD

Wie wurde das experimentell umgesetzt?

Die Experimente fanden mit Blatt- und Kerzenfiltern im Labormaßstab statt und anschließend auf einem großen, industriell verwendeten Pilotfilter mit analogen Prozessparametern. Fünf verschiedene, industriell eingesetzte Gewebetypen – Atlas-, Tressen- und Köpergewebe – wurden untersucht. Im Blattfilter kamen aus Kunststoff ein 11 μm und ein 14 μm Köpergewebe sowie ein Tressengewebe zum Einsatz. Beim Laborkerzenfilter wurde dieses Spektrum noch deutlich ausgeweitet. Bei den Metallgeweben haben wir Optimierte Tressen (OT 10 und OT 20) von GKD sowie zusätzlich ein 25 μm Porometric-Gewebe getestet. Die Auswahl erfolgte anhand der Maschenweite und Durchflussmenge, da Tressen- und Köpergewebe bei gleicher Maschenweite webartbedingt starke Unterschiede in der Porosität zeigen. Bei der Auswahl der Partikel haben wir nicht nur unterschiedliche Materialien gewählt, sondern auch Partikelform und -größenverteilung gezielt variiert. Der Rückspüldruck reichte von 0,1 bis 2 bar und entsprach den üblichen Größen der Rückspülung in Flüssigphasen. Die Filterkuchen waren zwischen 0,3 und 3,3 mm hoch.

Was haben die Untersuchungen gezeigt?

An der Blattfilteranlage zeigte sich, dass die Konzentration der Suspension für Volumenkonzentrationen <1 Vol.-% ohne Bedeutung für das Rückspülergebnis ist. Zugleich wurde deutlich, dass bei den Geweben Webart und Stabilität der Werkstoffe eine wichtige Rolle spielen. Für eine effiziente Rückspülung ist eine hohe Porosität der Medien essenziell. Tressengewebe aus Kunststoff und Metall bietet die für einen hohen Durchfluss günstige Porosität und auch kaum Kontaktstellen, an denen der Filterkuchen anhaften kann. Diese geringere Adhäsion bedeutet, dass weniger Rückspülvolumen benötigt wird.

Wo unterscheiden sich Kunststoff- und Metallgewebe beim Rückspülergebnis?

Frappierende Unterschiede gab es im Zusammenhang zwischen der Stabilität des Werkstoffs und dem Rückspülergebnis. Das Gewebe der Kunststofftressen ist fertigungsbedingt dünner und weniger stabil. Es beult bei der Rückspülung aus. Dadurch steigt das Risiko, dass ein dünner Kuchen reißt und sich nur teilweise ablöst. Zudem erhöht sich durch das Ausbeulen das benötigte Rückspülvolumen bei Kunststoffgeweben gegenüber starren Geweben um etwas mehr als das Doppelte. Metallgewebe mit analoger Feinheit beulen durch ihre werkstoffbedingte Stabilität nicht aus. Entsprechend gut schnitten die Optimierten Tressen von GKD im Test ab: Bei den OT 10 betrug das Rückspülvolumen nur 2,5 L/m2, bei den OT 20 sogar nur 0,8 L/m2. Dank ihrer hohen Porosität genügt für einen vollständigen Abwurf zudem ein dünnerer Kuchen. Der schnellere Kuchenaufbau steigert zum Beispiel bei der intermittierenden Kuchenfiltration die Anzahl der Reinigungszyklen – man erzielt einen sehr hohen Level an Gesamtfiltrat – und verbessert so nochmals die Prozesseffizienz. Damit überzeugten die OT in puncto Rückspülvolumen und Qualität der Abreinigung von den fünf getesteten Geweben am meisten.

Wie lautet das Fazit Ihrer Untersuchungen?

Bei dünnen Filterkuchen spielt die Stabilität des Filtermedium eine entscheidende Rolle für den Kuchenabwurf bei möglichst geringem Filtrateinsatz. Die Feinheit von Kunststoffgewebe ist webtechnisch begrenzt. Das Dehnungsverhalten von Kunststoff kann das Rückspülvolumen um bis zu 100 Prozent vergrößern. Metallgewebe ermöglicht durch seine werkstoffbedingte Festigkeit eine höhere Stabilität der Drähte und damit feinere Gewebe mit höherer Porosität. Sie ermöglichen verkürzte Reinigungszyklen und verbesserte Prozesseffizienz. Bei den untersuchten Geweben zeigten deshalb OT- und Porometric-Gewebe aus Edelstahl die besten Ergebnisse hinsichtlich Porosität, Reduzierung des Rückspülvolumens und Qualität der Abreinigung. Für Porometric kann ich diese Aussage aktuell allerdings nur qualitativ bestätigen. Für weitere Tests wird Porometric noch im Laborfilter eingebaut, um auch quantitative Ergebnisse zu erhalten. ck

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