Unter Filtration versteht man im Bereich der Fest-Flüssig-Trennung die Auftrennung einer Suspension in die Feststoffe und die Flüssigkeit (Filtrat) mit Hilfe eines porösen Filtermediums. Sowohl die Feststoffe als auch die Flüssigkeit werden durch ein treibendes Druckgefälle zum Filtermedium bewegt.

Die Flüssigkeit kann das Filtermedium durchströmen, während die Feststoffe zurückgehalten werden. Je nach Art der Ausführung unterscheidet man zwischen „Kuchenfiltration“, „Querstromfiltration“ und „Tiefenfiltration“.

Zu den am häufigsten in der industriellen Praxis verwendeten Filterapparaten zählen kontinuierliche Drehfilter wie Scheibenfilter, Trommelfilter oder Tellerfilter. Sie werden für die kuchenbildende Filtration von Suspensionen mit Feststoffkonzentrationen im Bereich von 3–50 Gew.- %. eingesetzt und erfüllen Aufgaben wie

  • Feststoffabtrennung
  • Feststoffauswaschung
  • Feststoffentfeuchtung.

Mit BoVac und BoHiBar bietet BOKELA für diese Drehfilterarten modernste Filterbaureihen sowohl für die kontinuierliche Vakuumfiltration als auch für die kontinuierliche Druckfiltration.

Bei der Crossflow-Filtration wird im Gegensatz zur Kuchenfiltration die Bildung eines Filterkuchens vermieden. Die Suspension strömt mit hoher Geschwindigkeit tangential über das Filtermedium und verhindert dadurch, dass sich Partikel in nennenswertem Maße als Deckschicht ablagern. Die Flüssigkeit passiert das Filtermedium (z. B. eine Polymermembran) und wird als Permeat bzw. Filtrat abgezogen. Der Feststoff verbleibt in der konzentrierten aber noch pumpbaren Suspension, die als Retentat bezeichnet wird.

Mit BoCross Dynamic und BoCross MicroScreen bietet BOKELA für die Crossflow-Filtration eine einzigartige Technologie, die nach dem Verfahrensprinzip der dynamischen Crossflow-Filration arbeitet. Die BoCross Filterbaureihe erzielt bei mikrofeinen bis nanoskaligen Suspensionen herausragende Resultate bei der

  • Eindickung
  • Waschung
  • Klärung
  • Klassierung.

Feststoffabtrennung – der erste Schritt einer Filtration

Die Feststoffabtrennung ist der zeitlich erste Prozessschritt einer Filtration. Dabei wird die Suspension in Feststoffe und Flüssigkeit getrennt. Die Abtrennung erfolgt durch eine kuchenbildende Filtration mittels eines Filtermediums.

Treibende Kraft ist eine Druckdifferenz Δp. Während die Flüssigphase (Mutterlauge) das Filtermedium durchströmt und als Filtrat abfließt, wird der Feststoff vom Filtermedium zurückgehalten und bildet einen Filterkuchen. Dabei sollen möglichst wenige Partikel ins Filtrat gelangen. Abhängig vom Prozess ist entweder die Mutterlauge oder der Filterkuchen das zu gewinnende Wertprodukt.

Verlauf und Erfolg der Feststoffabtrennung hängen sowohl von Produktparametern, Prozessparametern als auch Apparateparametern ab. Wesentliche Einflußgrößen bilden dabei die Eigenschaften der Partikel, wie Partikelgröße, Partikelform und Partikelverteilung, die Feststoffkonzentration der Suspension, das verfügbare treibende Druckgefälle Δp und das Filtermedium.

Je feiner die Partikel sind, desto größer wird der Durchströmungswiderstand des gebildeten Filterkuchens und desto größere Druckdifferenzen Δp sind für die Feststoffabtrennung erforderlich. Bei sehr feinen Partikeln reicht die verfügbare Druckdifferenz Δp von Vakuumfiltern von maximal ca. 0,8 bar oft nicht mehr aus, um den Durchströmungswiderstand zu überwinden. Für solche Suspensionen kommen kontinuierliche Druckfilter zum Einsatz.

Ob ein Produkt auf kontinuierlichen Drehfiltern verarbeitet werden kann, hängt u. a. wesentlich davon ab, dass sich der gebildete Filterkuchen vom Filtertuch abnehmen lässt. Filterkuchen mit speziellen Eigenschaften erfordern auch entsprechende Methoden zu Kuchenabnahme.

Filterkuchenwäsche

Das Waschen von Filterkuchen ist eine Prozessoperation von großer Bedeutung, da die Anforder­ung­en an die Reinheit von Produkten stetig zunehmen. Dabei ist es wichtig, einen hohen Waschwirkungsgrad bei geringem Waschverbrauch sowie eine scharfe Filtratabtrennung zu gewährleisten, um die Kosten für Energie und Waschflüssigkeit zu minimieren.

In vielen Fällen wird der gebildete Filterkuchen mit einer Waschflüssigkeit gewaschen, um verbliebene Reste der Mutterlauge weitestgehend zu entfernen. Ziel der Filterkuchenwäsche ist es, unerwünschte Substanzen aus dem Filterkuchen zu entfernen, um die Reinheit der Feststoffe zu erhöhen oder erwünschte Substanzen zurückzugewinnen.  Das gewonnene Filtrat, das sogenannte Waschfiltrat, kann entweder getrennt oder zusammen mit der Mutterlauge abgeführt werden. Wenn die Mutter­lauge das erwünschte Produkt ist, sollte sie in den meisten Fällen nicht mit der Wasch­flüssigkeit verdünnt werden.

Eine effektive Methode zur Optimierung des Waschflüssigkeitsverbrauchs ist das Gegenstrom­waschen, da die Waschflüssigkeit in mehreren Waschstufen wiederverwendet wird. Dabei wird die frische Waschflüssigkeit in die letzte Waschstufe gegeben, in der der Filterkuchen bereits vorge­waschen ist. Das Waschfiltrat aus jeder Stufe wird getrennt gesammelt und zur vorherigen Wasch­stufe zurückgeführt. Das Waschmedium wird also gegen die Drehrichtung des Filters auf dem Filterkuchen bewegt. Je schärfer die Trennung der Waschfiltrate in jeder Waschstufe ist, desto effizienter ist die Verwendung der frischen Waschflüssigkeit in der letzten Stufe und desto weniger Waschflüssigkeit wird benötigt.

 

Die Hauptvoraussetzungen für eine effektive Gegenstrom-Kuchenwäsche auf Drehfiltern sind:

  • homogene Filterkuchen, um zu verhindern, dass Waschflüssigkeit durch einige wenige große Poren wirkungslos abströmt (Fingering)
  • eine oprimale Waschwasserverteilung über den Filterkuchen
  • eine schnelle und vollständige Filtratentleerung von Filterzellen und Filtratleitungen, um ein Verschleppen von Filtrat in die nächste Prozesszone zu verhindern
  • eine angemessene Anzahl von Filterzellen, die eine genaue Aufteilung der Prozesszonen ermöglichen.

Eine besonders intensive Auswaschung des Filterkuchens wird mit BoHiBar Dampfdruckfiltration erzielt. Bei diesem Hybridverfahren wird der Filterkuchen in einer speziellen Dampfhaube mit Dampf beaufschlagt. Es bildet sich eine „Kondensatfront“, die durch den Filterkuchen strömt und dabei für eine intensive Verdrängung der Mutterflüssigkeit sorgt.  

Entfeuchtung

Die Weiterver­arbeitung des bei der Filtration gebildeten Filterkuchens  erfordert in den meisten Anwendungen eine niedrige Restfeuchte. Die Feststoffe sollen möglichst trocken sein. Flüssigkeit, die im Filterkuchen verbleibt, muss in vielen Fällen durch eine thermische Trocknung entfernt werden. Der Energieverbrauch ist dabei bis zu zehn Mal höher als bei einer mechanischen Entfeuchtung des Filterkuchens auf dem Filterapparat.

Im letzten Prozessschritt, nach der Filterkuchenwäsche oder bereits nach der Feststoffabtrennung, erfolgt eine Entfeuchtung des Filterkuchens durch hindurchströmende Luft. Häufig ist es das Ziel, einen möglichst trockenen Filterkuchen zu erzeugen. Das kann zwei Gründe haben: Die Weiterver­arbeitung des Feststoffs erfordert eine möglichst niedrige Restfeuchte, oder die Flüssigphase stellt das Wertprodukt dar und soll möglichst vollständig gewonnen werden.

Eine zu hohe Restfeuchte im Filterkuchen kann hohe Nachbehandlungs- oder Energiefolgekosten verursachen. Flüssigkeit, die im Filterkuchen verbleibt, muss häufig in einem nachgeschalteten Trockner teuer und mit nahezu zehnfach höherem Energieverbrauch entfernt werden, als dies auf mechanische Weise mit einem modernen Filter von intelligentem Design und bei richtiger Betriebs­weise möglich wäre.

Nach der Entfeuchtung verlässt der Filterkuchen den Filter über eine entsprechende Kuchenabnahme und wird dem nachfolgenden Prozess zugeführt, ebenso wie die gewonnen Filtrate.

Wie bei der Feststoffabtrennung und Kuchenwaschung, hängen Verlauf und Erfolg der Kuchenentfeuchtung von Produktparametern, Prozessparametern als auch Apparateparametern ab.

Homogene Filterkuchen sind eine Voraussetzung dafür, dass die Trocknungsluft gleichmäßig durch den Filterkuchen strömt und möglichst viele Poren durchdringt und nicht durch einige wenige große Poren wirkungslos abströmt (Fingering).

Je feiner die Partikel sind, desto größer wird der Durchströmungswiderstand des gebildeten Filterkuchens und desto größere Druckdifferenzen Δp sind für die Kuchenentfeuchtung erforderlich. Deshalb werden mit Druckfiltern in der Regel niedrigere Restfeuchten erzielt als mit Vakuumfiltern.

Besonders niedrige Restfeuchten werden mit BoHiBar Dampfdruckfiltration erzielt. Bei diesem Hybridverfahren wird der Filterkuchen in einer speziellen Dampfhaube mit Dampf beaufschlagt. Durch die Kombination von mechanischen und thermischen Wirkprinzipien wird Synergie freigesetzt. Der Entfeuchtungsvorgang wird dabei beschleunigt und intensiviert.

Klassierung

Durch Klassierung werden aus einem Feststoffgemisch verschiedene Fraktionen mit unterschied­lichen Partikeleigenschaften erzeugt oder Grob- bzw. Feinpartikel abgetrennt, die in nachfolgenden Prozessen unerwünscht sind.

Klassierung bedeutet die Trennung eines Partikelkollektivs in verschiedene Fraktionen, die sich in der Regel durch ihre Partikelgröße oder auch durch die Partikelart unterscheiden. Ziel der Klassierung ist es,

  • mehrere – mindestens aber zwei – Teilmengen des ursprünglichen Feststoffgemischs zu erzeugen
  • Grob- oder Feinpartikel (Ober- bzw. Unterkorn) abzutrennen, die in nachfolgenden Prozessen stören.

Bei zahlreichen Produkten hängen die Absatzchancen oder die weitere Verarbeitung innerhalb eines Prozesses davon ab, dass eine bestimmte Reinheit oder eine eng spezifizierte Partikelgrößen­verteilung eingehalten wird. Die zuverlässige Abtrennung störender Partikel hat deshalb gerade bei der Herstellung von hochwertigen, teuren Produkten eine immense Bedeutung wie z. B. in der Polymerchemie, Lebensmittelindustrie, Biotechnologie, Pigmentindustrie, Keramikindustrie, Werkstofftechnik, etc.

Die Abtrennung störender Partikel aus Suspensionen mit kritischen Eigenschaften wie z. B. sehr hohen Partikelkonzentrationen, hoher Viskosität, thixotropem Verhalten oder weichen Partikeln etc. stellt eine besondere Herausforderung in der Trenntechnik dar.

Mit dem BoCross MicroScreen Filter können hochviskose und hochkonzentrierte Dispersionen mit großem Durchsatz und mit scharfem Trennschnitt kontinuierlich in einem geschlossenen Apparat gesiebt werden, während ein extrem geringer Retentatanteil, d. h. geringe Produktverluste entstehen.

Noch Fragen? Ein Anruf genügt.

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