Bei der Durchströmungswäsche von Filterkuchen z.B. auf Band- und Drehfiltern treten häufig unerwünschte Realeffekte (ungleichmäßige Verteilung von Waschflüssigkeit, unebene Kuchenoberflächen, …) auf, welche das Waschergebnis unvorhersehbar verschlechtern. Während sich der qualitative Einfluss dieser Imperfektionen i. d. R. bereits im Vorhinein erahnen lässt, ist der quantitative Einfluss auf das Waschergebnis allgemein unbekannt.
Mit gemahlenem Kalkstein als Versuchsstoff, Quarzsand sowie einer NaCl-Lösung als Mutterflüssigkeit werden Waschversuche in einer Vakuumnutsche und auf einem Pilottaktbandfilter durchgeführt, um den Einfluss von exemplarischen Imperfektionen auf die Durchströmungswäsche systematisch zu untersuchen. So führt eine unebene Kuchenoberfläche zu einer Erhöhung des Waschaufwands im Dispersions- und Diffusionsbereich. Die Waschzeit von Filterkuchen mit einer Deckschicht aus feinen Partikeln nimmt aufgrund des erhöhten Durchströmungswiderstand stark zu. Eine ungleichmäßige Verteilung von Waschflüssigkeit verbreitert den Dispersionsbereich, während eine Resuspendierung des Filterkuchens bei der Waschflüssigkeitsaufgabe die insgesamt erreichbare Kuchenreinheit der Durchströmungswäsche stark limitiert. Eine Verstopfung des Filtermediums kann die Waschzeit erhöhen und eine Zunahme der benötigten Waschflüssigkeitsmenge im Dispersionsbereich bewirken.
Durch die Entwicklung versuchsgestützter Modelle wird die Simulation der Durchströmungswäsche unter Berücksichtigung der untersuchten Imperfektionen ermöglicht. Vorhersagen auf Basis der Modellierung werden anhand einer Gegenüberstellung mit experimentellen Daten aus dem Labor- und Pilotmaßstab validiert. Im Rahmen der Messgenauigkeit und Modellgrenzen werden die Messdaten gut durch das Modell abgebildet und es zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Vorhersage und Experiment. Durch exemplarische Fallstudien werden die Einflüsse von ausgewählten Imperfektionen mit Hilfe von Simulationsergebnissen dargestellt und diskutiert. Dadurch wird eine Übertragung der anhand von exemplarischen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse auf praxisnähere Fälle in industriellen Prozessen ermöglicht. Die Auswirkungen der Imperfektionen sind insbesondere auch auf großtechnischen Filtrationsapparaten groß genug, um das Waschergebnis negativ zu beeinflussen oder gar zu limitieren.
Durch experimentelle Methodenentwicklungen zur Beurteilung der Waschflüssigkeitsaufgabe („Maldistributionsfaktor“; „Rückvermischungsanteil“) können verschiedene Aufgabesysteme hinsichtlich des mit ihrem Einsatz verbundenen Wascherfolgs für verschiedene Prozessführungsstrategien gegenübergestellt und beurteilet werden. Diese einfach durchführbare Methode ist ohne finanziellen Mehraufwand für KMU anwendbar.
Mit den Simulationen kann der Restanteil einer gelösten Substanz im Filterkuchen als Funktion des Waschverhältnisses und der Waschzeit erstellt werden. Weiterhin besteht für Filterkuchen mit unebener Kuchenoberfläche die Möglichkeit, zeitliche Verläufe des Konzentrationsfelds im Filterkuchen zu berechnen. Dadurch kann die Problematik verschiedener Imperfektionen visualisiert und Kunden gegenüber anschaulich nähergebracht werden. In Kombination mit Messwerten aus Laborversuchen bietet dies eine schnelle, kostengünstige, versuchsreduzierte und verlässliche Art, verschiedene Prozessszenarien qualitativ sowie quantitativ zu bewerten. Dies steigert die Wettbewerbsfähigkeit von KMUs auf Hersteller-, Zulieferer- und Anwenderseite, da Auslegung, Betrieb und Optimierung der Durchströmungswäsche schneller, sicherer und kostenoptimierter durchgeführt werden können.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 06/2021 bis 06/2024 an der Hochschule Mannheim, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (Paul-Wittsack-Str. 10, 68163 Mannheim, Tel. 0621/2926306) unter der Leitung von Prof. Dr. B. Hoffner (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. B. Hoffner).
Das IGF-Vorhaben Nr. 21688 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.