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DE4336426A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Querstromfiltration von Suspensionen im Bereich der Normalfiltration - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Querstromfiltration von Suspensionen im Bereich der Normalfiltration

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DE4336426A1
DE4336426A1 DE4336426A DE4336426A DE4336426A1 DE 4336426 A1 DE4336426 A1 DE 4336426A1 DE 4336426 A DE4336426 A DE 4336426A DE 4336426 A DE4336426 A DE 4336426A DE 4336426 A1 DE4336426 A1 DE 4336426A1
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Bernhard Prof Dr Sc Tech Senge
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Filtration von Suspensionen mit kontinuierlichem Feststoffaustrag nach dem Querstromfiltrationsprinzip im Bereich der Normalfiltration.
Für die technischen Filterapparate ist charakteristisch, daß mit der Filtrationsdauer die Filterleistung abnimmt, da der sich aufbauende Filterkuchen einen immer größeren Widerstand für das Filtrat darstellt. Besonders gravierend ist der Abfall der Filterleistung bei Kompressibilität des Filterkuchens, so daß als Trennverfahren nur die verkürzte Standardfiltration durchführbar ist, was zu einer diskontinuierlichen Fahrweise der Filterapparate zwingt. So fällt z. B. bei der Zuckerfabrikation pro Tonne verarbeiteter Rüben ca. 1 m³ Rohsaft an, der etwa 3 kg kompressible Feststoffteilchen enthält und damit eine Suspension mit geringem Feststoffanteil darstellt. Das als Pülpe anfallende Rübenmaterial muß aus dem Rohsaft abgeschieden werden, da sonst eine nicht unbedeutende Menge Trockensubstanz, die als Tierfutter Verwendung finden könnte, verloren ginge. Die Entpülpung erhöht die technologische Verarbeitungsqualität, wodurch eine Ausbeuteerhöhung möglich ist. Weiter verbessert sich die Dicksaftfarbe und eine Verringerung des Kalksalzgehaltes tritt ein, wodurch beim späteren Eindampfprozeß Inkrustationshemmer eingespart werden können.
Die Saftreinigung in Zuckerfabriken wird mit Hilfe des Kalk-Kohlensäureverfahrens durchgeführt. Teilweise erfolgt vorher eine Grobentpülpung mit speziellen Pülpefängern oder Bogensieben.
Nachteilig wirken sich beim Pülpefänger die eingesetzten Bürsten zur mechanischen Reinigung des Filtermaterials aus, da so Pülpeteilchen in die Poren des Filtermaterials gedrückt werden, ebenso der diskontinuierliche, damit Infektionen fördernde, Feststoffaustrag und das ungünstige Verhältnis Filterfläche zu Behältervolumen. (Zuckerherstellung [1984], S. 191).
Analog ist die Funktionsweise einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Trennung eines Feststoff-Flüssigkeitsgemisches mit rotierenden Förderschnecken nach DD 21 33 53. An der äußeren Schnecke befinden sich Abstreifer, die eine Filtermittelregenerierung bewirken sollen, aus o.g. Gründen aber nicht funktionssicher sein dürften.
Beim Einsatz des Bogensiebes sind die geringe spezifische Flächenleistung, die Infektions- und Schaumgefahr durch Luftkontakt sowie der hohe Grenzkorndurchmesser von ca. 2 mm als nachteilig zu nennen.
DD 13 97 96 beschreibt eine kontinuierlich arbeitende Filtervorrichtung, deren Einsatz für die Pülpeabscheidung nicht möglich ist, da nur Suspensionen getrennt werden können, deren Teilchengröße kleiner einer Nutgröße ist, in der eine Zwangsströmung längs eines Filterkörpers mit poröser Wandlung vorliegt.
DE 36 25 094 beschreibt eine kontinuierliche Filtervorrichtung zum Ausfiltern von Feststoffen aus einem Flüssigkeitsstrom mit einem feststoffrückweisenden Material wobei sich die ausgefilterten Feststoffe im Sammelraum zwischen Filtratauslauf und dem Behälterboden ablagern. Oben wird das Filtrat abgeleitet, unten der Feststoff diskontinuierlich abgezogen. Bei Behältervolumina von 0,2 m³, etwa gleicher Dichte des Rohsaftes und der Pülpeteilchen ist der Betrieb dieser Vorrichtung im Zuckerherstellungsprozeß kaum geeignet.
In DD 29 56 64 ist ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben, die kontinuierlich und unter Luftabschluß arbeitet, wobei ein Teil der Suspension als Bypassvolumenstrom zur Reinigung der Filterfläche dient. Eine kontinuierliche Filtration findet danach durch eine Gegendrucksteuerung mittels Standrohr und Realisierung eines variablen Bypassverhältnisses sowie Einsatz von Kreisringfiltern bzw. eckigen Filterelementen statt (Anwendung des Querstromfiltrationsprinzipes). Ein sicherer kontinuierlicher Betrieb bei nichtoptimierter strömungstechnischer Gestaltung ist für ein solches Filter unterhalb eines bestimmten Bypassverhältnisses nicht bekannt. Auch entspricht die Gegendrucksteuerung mit Hilfe eines Standrohres nicht technischen Realitäten bei hohem Anlagendruck. Bei einer nichtkreisförmigen Ausführung des Filtergehäuses ist die gleichmäßige Beaufschlagung der Filterplatten mit Suspension nicht gesichert. Weiter dürfte eine Regenerierung der Filterfläche durch zwischen den Filterflächen angebrachten Düsenstöcken nicht in der Lage sein, ein mit "Dead end"-Filtration zugefahrenes Filter wieder in den betriebsfähigen Zustand zu versetzen.
In DE 40 12 971 ist eine nach dem Crossflow-Prinzip arbeitende Filtervorrichtung für Säfte aus Extraktionsanlagen beschrieben. Diese ist bei beliebigen Betriebsdruck betreibbar, wobei der Filtrationsdruck als äußerst gering bezeichnet wird. Die Vorrichtung besitzt einen komplizierten Aufbau der Filterelemente mit radialer Überströmung des Filtermittels zu einem Zentralrohr und einer Paketanordnung der Filterelemente zur Realisierung großer Filterflächen. Eine gleichmäßige Beaufschlagung der Filterelemente bei geringer Druckdifferenz dürfte in der dargestellten Ausführungsform nicht möglich sein. Auch wird die abrasive Wirkung des Bypaßvolumenstromes durch zuerst axiale, dann radiale Strömungsrichtung verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein betriebssicheres Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoff aus Suspensionen mit kompressiblem Verhalten des Filterkuchens anzugeben, das eine einfache Fertigung ermöglicht und bei beliebigen Druck kontinuierlich arbeitet und die aufgezeigten Probleme vermeidet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren und in einer Filtervorrichtung nach dem Querstromfiltrationsprinzip mit mehrstufig schaltbaren Filterelementen zur Erhöhung des Feststoffgehaltes des Bypassvolumenstromes, die eine Filterpatrone in einem axial drosselbaren Filtratauslauf sowie tangentialen Suspensionszu- und Bypassablauf aufweist, die durch die erosive Wirkung des Bypassvolumenstromes freigespült wird und aufgrund der Filterelementegeometrie im Bereich der Einlaufstörung mit um die Vertikalachse schwingender Patrone arbeitet, wobei bei mehrstufiger Ausführung der austretende Bypassvolumenstrom gleich dem Eintrittsvolumenstrom der nachfolgenden zueinander abgestuften Filterelemente ist.
Zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
Dabei zeigt
Fig. 1 schematisch eine dreistufige Filtervorrichtung für Suspensionen,
Fig. 2 den Längsschnitt durch ein Filterelement.
Ausführungsbeispiel 1
In einer Zuckerfabrik findet die Abscheidung pflanzlicher Feinteile im Bereich der Normalfiltration statt, wobei der Filterkuchen kompressibles Verhalten zeigt. Die kontinuierlich arbeitende Querstromfiltrationsanlage kompakter Bauart wird zwischen dem Sandfänger und den Anlagen der Kalk/Kohlensäure-Saftreinigung eingebunden.
Durch die Reihenschaltung der Filterelemente wird eine maximale Feststoffanreicherung im aus dem letzten Filterelement austretenden Bypass erreicht. Eine Rückführung eines Teiles dieses Bypassvolumenstromes in den Filtrationsprozeß ist aufgrund der großen Volumina nicht zweckmäßig.
Die gewählte Filtervorrichtung gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus drei kreisrunden Filterelementen 1, 2, 3, die zueinander abgestufte Durchmesserverhältnisse aufweisen und in Reihe geschaltet sind.
Die Filterelemente 1, 2, 3 besitzen eine mittig auf dem Filtratauslaufrohr eingesetzte Filterpatrone 9, die im Gehäusedeckel 4 mit Spiel justiert ist. An den Filterelementen 1, 2, 3 befinden sich die tangential angebrachten Saftzu- und Bypassableitungen 6. Mit Hilfe einer Filtrat-Absperrarmatur 13 wird gesichert, daß nur ein Teil der zugeführten Suspension als Filtrat abgenommen wird, um das Freispülverhalten zu sichern.
Aufgrund der Drosselung des Filtratablaufes und der Bemessung des Ringspaltes 11 wird die Filterpatrone 9, mit einer von der Art und Menge der Feststoffabscheidung abhängigen Bypassgeschwindigkeit, umströmt. Zusätzlich zur Dimensionierung der Bypassfläche erfolgt die Gestaltung des Verhältnisses Bypassfläche zu Patronenlänge so, daß sich die Strömung im Gebiet der Einlaufstörung längs der Filterfläche 12 befindet. Eine weitere Strömungsstörung kann durch die mittig justierte, in einer Weichgummidichtung 14 am Gehäuseboden stehenden Filterpatrone erreicht werden. Aufgrund eines einstellbaren Spiels mittels Konus im Gehäusedeckel 4 wird die Filterpatrone durch das Strömungsmittel in mechanische Schwingungen geringer Amplitude zur Vertikalachse versetzt wird, wodurch zusätzliche Strömungsstörungen das Freispülverhalten unterstützen. Ein Einströmkörper 15 am Patronenkopf sichert als Schikane das tangentiale Einströmen der Suspension in den Kreisringspalt.
Die Filterpatrone 9 besteht aus einem Rohrkörper mit großer freier Durchtrittsfläche dem Untersieb und der Bespannung mit dem eigentlichen Filtermittel. Die Maschenweite wird entsprechend der Feststoffbeladung, dem erforderlichen Grenzkorndurchmesser bzw. der erforderlichen Filterleistung festgelegt.
Je nach eingesetzten Filterelementen wird bei sicherem Betrieb jedes Einzelelementes bei einem Verhältnis Filtrat- zu Bypassvolumenstrom von 1 : 1 bei der dreistufigen Ausführung die zugeführte Suspension in 7/8 Filtrat und 1/8 Rückführung zur Extraktionsanlage getrennt.
Für z. B. 100 m³/h Suspensionszuführung liefert das erste Filterelement 50 m³/h Filtrat; das zweite Filterelement 25 m³/h Filtrat sowie 12,5 m³/h Filtrat das dritte Filterelement. Ein mit Feststoffen angereicherter Bypassvolumenstrom von 12,5 m³/h wird in diesem Fall zur Extraktionsanlage zurückgeführt.
Volumenstrommeßgeräte 17 dienen der Kontrolle der Filtratabsperrarmaturen 13.
Eine Regenerierung der Filterflächen 12 ist möglich, wenn die Filtratabsperrarmaturen 13 geschlossen werden und der gesamte Suspensionsstrom an der Filterfläche entlang strömt.
Dieser Spülvorgang wird in kurzer Zeit realisiert und eingeleitet, wenn den Filterelementen 1, 2, 3 zugeordnete Differenzdruckmanometer 16 eine Grenzwertüberschreitung signalisieren.
Ausführungsbeispiel 2
Das Verfahrensprinzip der Querstromfiltration eignet sich unter anderem zur Vorklärung industrieller bzw. kommunaler Abwässer. Dadurch können Folgeeinrichtungen zur mechanischen Abwasseraufbereitung differenzierter beschickt, Klärbeckenkapazität und Wasserkreisläufe sowie Pumpenantriebsleistungen, Kanal- und Rohrleitungsquerschnitte verringert werden.
In diesem Fall wird aufgrund der stark wechselnden Zusammensetzung der Suspensionen und dem schwankenden Abwasseranfall, z. B. bei starken Regengüssen, der Einsatz eines Filterelementes 1 nach Fig. 2 entsprechender Dimensionierung eines Filtermittels für den gewünschten Grenzkorndurchmesser vorgesehen.
Gegebenenfalls ist hier eine Parallelschaltung mehrerer gleicher Filterelemente, die mittels Pumpenbetrieb aus einem Vorlaufbehälter beschickt werden, möglich.
Die Suspension wird wieder tangential eingeleitet und strömt mit einem Drall in den Ringspalt 11 ein. Die Strömungsgeschwindigkeit längs der Filterfläche 12 ist so hoch bemessen, daß keine Feststoffablagerungen auf dem Filtermittel trotz deutlicher Verringerung derselben stattfinden. Ursache sind instationäre Strömungsverhältnisse, hervorgerufen durch Einlaufstörungen im Ringspalt 11 sowie ein Schwingen der Filterpatrone um die Vertikalachse. Hohe spezifische Flächenleistungen werden bei geringsten Filtrationsdifferenzdrücken erreicht. Das Filtrat kann wieder technologischen Prozessen als Brauchwasser oder der biologischen Reinigung zugeführt werden. Der Bypassvolumenstrom 6 mit dem angereicherten Feststoff wird der Abwasseraufbereitungsanlage zugeführt.
100 m³/h zugeführte Suspension können in 3/5 Filtrat und 2/5 Bypass funktionssicher getrennt werden.
Bei sich andeutender Versetzung der Filterfläche wird anhand von Grenzwertdaten des Volumenstrommeßgerätes 17 und des Differenzdruckmanometers 16 ein kurzzeitiger Spülzyklus von wenigen Sekunden eingeleitet, indem die Filtratabsperrarmatur 13 geschlossen wird. Nachdem das Differenzdruckmanometer 16 den Wert 0 anzeigt, ist der Spülvorgang abgeschlossen.
Bezugszeichenliste
1, 2, 3 Filterelemente einer dreistufigen Ausführung
4 Gehäusedeckel
5 Filtratauslaufrohr
6 Bypassleitungen mit tangentialen Ein- und Ausläufen
7 Filtratrückführung
8 aufkonzentrierte Suspension
9 Filterpatrone
10 Justiervorrichtung zentrisch
11 Ringspalt
12 Filterfläche
13 Filtratabsperrarmatur
14 Weichgummidichtung
15 Einströmkörper
16 Differenzdruckmanometer
17 Volumenstrommeßgerät

Claims (7)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Querstromfiltration von Suspensionen im Bereich der Normalfiltration, wobei ein Teil der Suspension als Bypassvolumenstrom zur Reinigung der Filterfläche benutzt wird und das Verhältnis von Filtrat- zu Bypassvolumenstrom über eine Gegendrucksteuerung einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension in ein kreisrundes Filterelement (1) oder nacheinander mehrere kreisrunde Filterelemente (1; 2; 3) tangential eingeleitet wird, ein Teil der Suspension mittels Filtratabsperrarmatur (13) über die Führung im Ringspalt (11) der Filterfläche (12) in Gestalt der schwingbar gelagerten Filterpatrone (9) zugeführt und der nicht filtrierte Teil aus einer tangential eingebundenen Bypassleitung (6) abgeführt, oder bei mehreren Filterelementen dem nachfolgenden Filterelement zugeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (1; 2; 3) im Durchmesserverhältnis d₁/d₂ ≈ d₂/d₃ ≈ 2 zueinander abgestuft sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterpatrone (9) mittels Weichgummidichtung (14) und Justiervorrichtung (10) in der Vertikalachse mit variabler Amplitude, hervorgerufen durch das Strömungsmittel, schwingen kann.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfläche (12) zur Ringspaltfläche (11) ein Verhältnis aufweist, das kleiner 100 ist.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zueinander abgestufte Filterelemente (1; 2; 3) in Reihe geschaltet sind und tangentiale Ein- und Ausläufe für die Suspension bzw. den Bypass (6) sowie am Boden ein axiales Filtratauslaufrohr (5) mit Filtratabsperrarmatur (13) aufweisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (1; 2; 3) mittig angeordnete bewegliche Filterpatronen (9) besitzen, die am Boden in einer Weichgummidichtung (14) stehen und im Gehäusedeckel (4) eine Justiervorrichtung (10) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterpatrone (9) oben einen Einströmkörper (15) aufweist.
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