Bei der ein- und mehrstufigen Filterkuchenwäsche auf kontinuierlichen Filtern (z.B. auf Band- und Drehfiltern) kommt es zwangsläufig zu Entfeuchtungszonen. Diese sind notwendig, um Suspensions- und Waschflüssigkeit auf der Filterkuchenoberfläche voneinander zu trennen und deren Vermischung zu vermeiden.
Das Forschungsprojekt untersucht das Zusammenwirken von einer sowie mehrerer Waschstufen und den Einfluss von vor-, zwischen- und nachgeschalteter Entfeuchtungsvorgängen. Mit den Versuchsstoffen Quarzsand (zwei Fraktionen) und Calciumcarbonat sowie einer NaCl-Lösung als Mutterflüssigkeit werden Entfeuchtungs-/Wiederbefeuchtungs- und Waschversuche in einer Vakuumnutsche durchgeführt. Mit beschichteten und unbeschichteten Glaskugeln wird zusätzlich das Wiederbefeuchtungsverhalten poröser Haufwerke untersucht. Ein versuchsgestütztes Modell wird entwickelt, welches die Simulation der ein- und mehrstufigen FK-Wäsche im Gegenstrom (bis zu fünf Stufen) für gesättigte Filterkuchen ermöglicht.
Aus den experimentellen Untersuchungen geht hervor, dass Entfeuchtungsschritte in jedem Fall die Prozesszeit (und Filterfläche), trotz einer Reduktion des notwendigen Waschverhältnisses im Verdrängungs- und Dispersionsbereich erhöhen. Die Vorentfeuchtung zeigt auch bei verschiedenen Untersättigungen keinen Einfluss auf den Diffusionsbereich. Die Nachentfeuchtung reduziert das notwendige Waschverhältnis für ein angestrebtes Waschziel in allen Bereichen der Waschkurve. Es wird gezeigt, dass ein untersättigter Filterkuchen auch nach mehrmaliger Wiederbefeuchtung mit Waschflüssigkeit, nur bis zu einer jeweils konstanten Gleichgewichtssättigung SGGW, II (für Δp = const.) aufgefüllt werden kann. Die Wiederbefeuchtungskinetik ist deutlich schneller als die Entfeuchtungskinetik, SGGW, II wird im Gegensatz zu SGGW, I auch unter technischen Bedingungen erreicht. Ein neu entwickelter Ansatz einer Wiederbefeuchtungskennzahl liefert erstmals eine mögliche Beschreibung des Sättigungsverlaufs der Wiederbefeuchtungskinetik.
Das entwickelte numerische Modell ermöglicht die zeitlich und örtlich aufgelöste Simulation der ein- und mehrstufigen FK-Wäsche im (Kreuz-)Gegenstrom für nicht konstante Anfangsbedingungen. Dieses wird für eine zwei- und dreistufige FK-Wäsche im Gegenstrom für gesättigte Filterkuchen mit experimentellen Daten in allen charakteristischen Bereichen der Waschkurve erfolgreich validiert. Ein entwickeltes Nachentfeuchtungsmodell bildet Messdaten ebenfalls sehr gut ab.
Mit der Simulation können Restbeladungsverläufe als Funktion des Waschverhältnisses und der Waschzeit erstellt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, örtliche und zeitliche Konzentrationsverläufe in jeder Waschstufe zu betrachten sowie die Stufenwirksamkeit zu bewerten. Die durch die Simulation berechneten Waschflüssigkeitskonzentrationen im Zulauf jeder Waschstufe können genutzt werden, um die mehrstufige FK-Wäsche im Gegenstrom, in diskontinuierlichen Versuchen (Vakuumnutsche), ohne ein iteratives Vorgehen durchzuführen. Somit können Auslegungsversuche besser und schneller durchgeführt werden. Mit einer entwickelten einfachen heuristischen Methode kann der Diffusionsbereich für mehrstufige Waschkurven aus dem Diffusionsbereich einer 1-stufigen Waschkurve abgeleitet werden. Diese Methode wird mit Hilfe der Simulation ausgearbeitet und mit experimentell ermittelten zwei- und dreistufigen FK-Wäschen im Gegenstrom erfolgreich bestätigt. Die Methode selbst benötigt keine numerische Simulation und ist ohne finanziellen Mehraufwand für KMU durchführbar.
Es werden exemplarisch die Einflüsse von ausgewählten Prozessparametern u.a. der Filterkuchenhöhe und der Druckdifferenz mit Hilfe von Simulationsergebnissen dargestellt und diskutiert. Es kann gezeigt werden, dass die Simulation in Verbund mit genauen Messwerten aus einstufigen Laborversuchen eine schnelle, kostengünstige, versuchsreduzierte und verlässliche Art darstellt, verschiedene Szenarien zu berechnen, darzustellen und qualitativ sowie quantitativ zu bewerten.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 01/2017 bis 09/2019 an der Hochschule Mannheim, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (Paul-Wittsack-Str. 10, 68163 Mannheim, Tel. 0621/292-6306) unter der Leitung von Prof. Dr. B. Hoffner (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. B. Hoffner)
Das IGF-Vorhaben Nr. 19169 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.