Die Abtrennung grober Partikelfraktionen aus Suspensionen mit nanoskaligen Partikeln (Partikelgröße < 500 nm) ist bei einer Reihe von Produkten und Prozessen von großer Bedeutung. Grobe Partikel entstehen oft durch unerwünschte Agglomeratbildung. Es ist besonders günstig, die Klassierung (Abtrennung) mit einer Dispergierung (Zerstörung der Agglomerate) zu verbinden.
Im Rahmen des Projektes wurde das gleichzeitige Dispergieren und Klassieren von Suspensionen mit nanoskaligen Partikeln mittels dynamischer Filter untersucht und ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, aus konzentrierten Suspensionen mit vorwiegend nanoskaligen Partikeln grobe Partikel bzw. Agglomerate abzutrennen.
Eingesetzt wurden rotierende Scheibenfilter mit und ohne Scherspalt. Anlagen mit rotierenden Scheiben bieten den Vorteil, dass die Überströmgeschwindigkeit nahezu unabhängig vom treibenden Druckgefälle gewählt werden kann. Mann kann daher die Anlagen mit hohen Drehzahlen und geringem treibendem Druck betreiben, was insbesondere für eine Klassier-Filtration günstig ist. Bei gegenläufigen, überlappenden Scheiben kommt hinzu, dass die relative Geschwindigkeit über dem Scherspalt an allen Stellen konstant ist, sodass im Scherspalt gleichförmige Filtrationsbedingungen herrschen.
Die Siebklassierung mit ein- und zweiachsigen Scheibenfiltern wurde mit Suspensionen mit Partikeln im Bereich von 70 nm bis 100 µm und Trenngrenzen von 4 µm bis 40 µm untersucht.
Der Einfluss der Zentrifugalkraft und damit der Drehzahl auf den Permeatfluss wurde nachgewiesen.
Mit reinen Flüssigkeiten wurde ein mittlerer Geschwindigkeitskoeffizient für beide Konfigurationen ermittelt, der ein Maß für den mittleren Schlupf zwischen den rotierenden Scheiben und dem Fluid darstellt.
Die mittlere Scherbeanspruchung auf den rotierenden Scheibenfiltern wird bedeutend durch die Scheibenanordnung beeinflusst, überlappende Scheiben steigern die Scherbeanspruchung.
Es konnte gezeigt werden, dass mit ein- und zweiachsigen Scheibenfiltern eine Klassierung ohne Kuchenbildung durchgeführt werden kann. Bei den zweiachsigen Systemen führt die Erhöhung der Wandschubspannung durch die überlappende Anordnung der Scheiben zu einer gezielten Vermeidung eines Kuchenaufbaus. Für die einachsigen Systeme wurde durch geschickte Parameterwahl die „autodynamische Druckfluktuation“ nachgewiesen und erfolgreich als filterkuchenfreies Klassierverfahren mit hoher positiver Fluxrate eingeführt.
Die Trennkurven werden vom verwendeten Siebgewebe und von der Feststoffkonzentration, der Drehzahl und der Feedflussgeschwindigkeit (Druckdifferenz) beeinflusst. Bei hohen Feststoffkonzentrationen verschiebt sich die Trenngrenze bedingt durch Partikel-Partikel-Interaktionen auf der Filteroberfläche zu kleineren Partikelgrößen. Die Erhöhung des Feedflusses (Druckdifferenz) hat eine höhere Trenngrenze zur Folge. Die Erhöhung der Drehzahl verschiebt die Trenngrenze hin zu kleineren Partikelgrößen.
Es wurden CFD-Simulationen durchgeführt, die Aufschluss über Druckverhältnisse, Wandschubspannungen und Energieverteilungen geben. Die experimentell ermittelten Wandschubspannungen konnten durch die CFD-Simulationen bestätigt werden. Die Kräfte, die auf ein Partikel in der Nähe des Filtermediums wirken, wurden aufgezeigt. Das Gleichgewicht zwischen Auftriebskräften und Widerstandskräften des Filtratflusses beeinflusst wesentlich den Partikeltransport zum Filtermedium. Die Zentrifugalkraft spielt ab einer bestimmten Größe eine wesentliche Rolle bei der Partikelabsetzung in der Nähe der Filteroberfläche sowie im Filter selbst.
Bei instabilen Strömungen wurden spiralförmige Kuchenmuster gefunden. Der Filterkuchen in einachsigen Scheibenfiltern war, verglichen mit zweiachsigen Scheibenfiltern, blasenfreier und homogener über die Filteroberfläche verteilt (niedrige Drehzahl).
Die instationäre Absetzbewegung von bestimmten Partikelfraktionen im Inneren der Filterscheiben wurde berechnet. Die Zeit, die ein Partikelkollektiv zum Erreichen des Scheibenrandes und zur fortschreitenden Anlagerung brauchte, wurde abgeschätzt.
Auf Basis der erzielten Ergebnisse konnten die untersuchten Verfahren im Hinblick auf die Zielstellungen des Projektes optimiert werden. Das Projekt wurde mit Erfolg abgeschlossen.
Forschungsstelle: TU Kaiserlautern, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik
Leiter des Projektes: Prof. Dr.-Ing. S. Ripperger
Laufzeit: 01.07.2006 – 30.06.2008
Betreut durch: AK 3
Das IGF-Vorhaben Nr. 14833 N/1 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.