Die kuchenbildende Filtration ist eine bewährte Methode zur Abtrennung von Feststoffpartikeln aus einer Suspension. Nach Abschluss der Kuchenbildung wird der Filterkuchen üblicherweise mit Gasdruck beaufschlagt, um den Flüssigkeitsgehalt durch Entleeren der Poren weiter zu reduzieren.
Viele feinpartikuläre Produkte, welche eine mehr oder weniger kompressible Kuchenstruktur bilden, neigen während dieses Prozessschrittes allerdings zur Rissbildung. Die Risse im Filterkuchen stellen einen Bypass für sowohl Gas als auch Flüssigkeit dar. Um den Filtrationsdruck aufrecht erhalten zu können, muss dieser Gasstrom von einer Pumpe abgesaugt oder nachgeliefert werden. Dies ist infolge der großen Gasmengen nicht möglich und der Filtrationsdruck sinkt ab. Damit verschlechtert sich der Prozess im Hinblick auf Gasverbrauch, Wascheffizienz und erzielbare Restfeuchte erheblich oder bricht vollständig zusammen.
Die Rissbildung kann durch Verdichten des Filterkuchens vor der Untersättigung verhindert, oder zumindest stark reduziert werden. Üblicherweise erfolgt die Verdichtung durch Pressen des Filterkuchens. Je nach Partikelsystem liegt der hierzu erforderliche Pressdruck jedoch oftmals jenseits dessen, was im technischen Maßstab umsetzbar ist. Um die kontinuierliche Filtration und Untersättigung von zu Rissbildung neigenden Produkten zu ermöglichen, sind daher alternative Methoden zur Verdichtung unabdingbar.
Gegenstand der im AIF-Vorhaben-Nr:18997 N durchgeführten Arbeiten war realitätsnahe Untersuchung der Verdichtung von Filterkuchen durch Überlagerung von einem geringen Pressdruck und einer oszillierender Scherung. Hierzu wurde eine spezielle Laborfiltrationsapparatur zur Vakuumfiltration konstruiert und gebaut, mit Hilfe derer der Filterkuchen sowohl druckbelastet als auch oszillierend beansprucht werden konnte. Der unter Bedingungen der Vakuumfiltration gebildete Kuchen konne anschließend in einem speziell gebauten Druckreaktor mit erhöhtem Gasdruck untersättigt werden. An Beispiel von schwer filtrierbaren Kalziumkarbonat- und Kaolinsuspensionen wurde der Einfluss von Prozessparametern, wie Schwingungsfrequenz, Beanspruchungszeit und Höhe des Pressdrucks auf den erzielbaren Verdichtungsgrad untersucht. Die Ergebnisse der Versuche an einem Modellprodukt zeigten, dass für mäßig kompressible Filterkuchen gegenüber der reinen Pressung mit hohen Drücken bei sehr kleinen Drücken und eingeleiteter Scherung ein wesentlich höherer Verdichtungsgrad erzielt werden konnte. Diese Verdichtung führte zu einer so weitgehenden Stabilisierung des Filterkuchens, dass eine Rissbildung während der Untersättigungsphase gegenüber einem nicht auf diese Weise verdichteten Filterkuchen stark reduziert oder sogar ganz unterdrückt werden konnte.
Insgesamt konnten also die bekannten Ergebnisse aus der Grundlagenforschung bestätigt werden, dass eine ausreichende Vorkonsolidierung schrumpffähiger Filterkuchen eine Rissbildung während der Untersättigung vermeiden kann. Weiterhin war es durch die Einleitung oszillierender Schwingungen in den Filterkuchen möglich, den statischen Pressdruck drastisch zu reduzieren. Die für den Verdichtungsvorgang benötigten Zeiten und Pressdrücke liegen in einem Bereich, der sich technisch auf kontinuierlichen Drehfiltern realisieren lässt, so dass der nächste und für ein Anschlussvorhaben geplante Schritt die Übertragung der hier gewonnen Erkenntnise auf einen technischen Filterapparat im Pilotmaßstab darstellt.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 01/2016 bis 12/2017 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Lehrstuhl Verfahrenstechnische Maschinen (Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Tel.: 0721/608-42404) unter der Leitung von Dr.-Ing. Harald Anlauf (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr.-Ing. habil. Hermann Nirschl).
Das IGF-Vorhaben Nr. 18997 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.