Dieses Projekt befasste sich mit der Umsetzung der autodynamischen hochfrequenten Rückspülung bei der Filtration mit rotierenden Filterscheiben. Die hochfrequente Rückspülung wird durch starke Fluktuationen im Differenzdruck zwischen Konzentrat- und Filtratseite verursacht, woraus eine hochfrequente Richtungsumkehrung der Filtratströmung resultiert. Diese hochfrequente periodische Rückspülung sorgt für eine stetige Reinigung der Filterfläche und damit für ein größeres effektiv anfallendes Filtratvolumen.
Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluss von Betriebs- und konstruktiven Parametern von dynamisch betriebenen Filtern mit rotierenden Filterscheiben auf das Auftreten der autodynamischen Rückspülung und der damit verbundenen Filtration untersucht.
Experimente wurden mit drei unterschiedlichen Versuchsanlagen durchgeführt. Zwei Filter besitzen eine Hohlwelle, auf der eine unterschiedliche Anzahl von Filterscheiben montiert werden können. Bei der dritten Anlage handelt es sich um einen doppelwelligen Filter, bei dem sich die Scheiben überlappen und einen Scherspalt bilden.
Die experimentellen Ergebnisse mit dem großen einwelligen Filter (Scheibendurchmesser 312 mm) zeigen, dass die Druckschwankungen vom eingestellten Differenzdruck, der Scheibendrehzahl und der Suspensionsströmung im Filter stark beeinflusst werden. Es konnte gezeigt werden, dass bei niedrigen Differenzdrücken (Δp < 1 bar) und einem hohen Durchfluss der Suspension durch das Filtergehäuse die Druckschwankungen zunehmen. Außerdem wurde gezeigt, dass die installierte Anzahl an Scheiben auf der Welle und die Strombrecher im Behälter die Druckfluktuation beeinflussen. Durch eine leichte Neigung der Filterscheibe gegenüber der horizontalen Achse kann die autodynamische Rückspülung noch verstärkt werden. Eine Neigung der Scheiben um 1° verstärkt sowohl beim großen Filter (Scheibendurchmesser 312 mm) als auch bei einem kleinen Filter (Scheibendurchmesser 152 mm) die Druckfluktuation, die das Auftreten der hochfrequenten autodynamischen Rückspülung bewirkt.
Die experimentellen Beobachtungen konnten mit einer numerischen Strömungssimulation für den Fall des großen Filters mit einer Welle und geraden und geneigten rotierenden Filterscheiben berechnet und erklärt werden. Die Suspensions- und Filtratströmung wurde mit dem CFD-Programm AnsysFluent und einer eigens entwickelten User Defined Function numerisch berechnet. Das Berechnungsmodell wurde durch einen Vergleich von berechneten und gemessenen Filtratflüssen und Drehmomenten der Welle validiert. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass für das Auftreten einer autodynamischen Rückspülung in einem einwelligen Filter zwei Voraussetzungen erfüllt sein müssen:
1) Die Filterscheibe muss zwischen 1° und 2° geneigt sein und
2) am äußeren Rand der Filterscheibe muss lokal eine Rückspülung vorliegen.
Das Auftreten einer lokalen Rückspülung kann durch eine einfache Abschätzung der Druckdifferenz am äußeren Radius der Filterscheibe vorausgesagt werden. Bei dieser Abschätzung sind der Druck im Behälter, der Druck im Filtratablauf und die Druckerhöhung im Scheibeninneren infolge der Zentrifugalbeschleunigung zu berücksichtigen. Eine Rückströmung tritt auf, wenn der Druck im Filterscheibeninneren größer ist als außerhalb der Filterscheiben.
Mit dem zweiwelligen Filter mit sich überlappenden Filterscheiben konnte nachgewiesen werden, dass eine Schrägstellung der Scheiben auf einer der beiden Wellen zu einem signifikanten Anstieg des mittleren Filtratvolumenstromes führen kann. Durch die dadurch hervorgerufene stetige Veränderung der Spaltweite zwischen den Scheiben, findet ein Wechsel zwischen einem Unter- und Überdruck im Scherspalt statt. Dadurch kann auch bei geringen Drehzahlen eine Filtration mit einer hochfrequenten autodynamischen Rückspülung realisiert werden. Eine Schrägstellung der Scheiben um 1° sorgte für eine Steigerung des mittleren Filtratvolumensstromes um bis 20% gegenüber einem Filter mit ungeneigten Scheiben. Bei einer Schrägstellung um 2°, wurde keine Steigerung erzielt.
Im Rahmen des Projektes wurde mit dem Filter mit zwei Wellen auch eine neue Methode der Diafiltration mit einer autodynamisch-hochfrequent-periodischen Rückspülung erprobt. Dabei wurde die Waschflüssigkeit über eine der Hohlwellen und der damit verbundenen Filterscheiben zugeführt. Dabei wurde der spezifische Filtratstrom um bis zu 50% erhöht. Die für die Filtration zur Verfügung stehende Filterfläche wird dabei jedoch halbiert. Dennoch kann diese Methode bei sehr schlecht filtrierbaren Suspensionen von Vorteil sein.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 07/12 bis 10/14 an der Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik (Gottlieb-Daimler-Straße, 67663 Kaiserslautern, Tel.: 0631/205-2121) unter der Leitung von Prof. Dr. S. Ripperger (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. S. Ripperger)
Das IGF-Vorhaben Nr. 16553 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.