Filterkuchenwaschprozesse unter besonderer Berücksichtigung physikalisch-chemischer Einflüsse

Beschreibung

Feinpartikuläre Stoffsysteme besitzen in der Technik und dem alltäglichen Leben breite Anwendung. Die Produktpalette reicht dabei vom nanoskaligen Träger pharmazeutischer Wirkstoffe über Pigmente bis zu Poliermitteln in der Elektronikindustrie. Die Herstellung dieser dispersen Systeme findet meist durch Fällung oder Kristallisation aus der flüssigen Phase statt. Oft sind in der abzutrennenden Flüssigkeit nicht tolerierbare Mengen an Stoffen gelöst, die im trockenen Endprodukt unerwünscht sind. In vielen Fällen ist die Filterkuchenwaschung deutlich zeitintensiver als die übrigen Teilschritte Kuchenbildung, Pressung und Gasdifferenzdruckentfeuchtung im Filtrationsprozess. In extremen Anwendungsfällen nimmt die Filterkuchenwaschung einen Anteil von bis zu 80% der Filterfläche und damit auch der Dauer des Filtrationszykluses auf kontinuierlichen Filtern ein. Die Waschphase bietet in vergleichbaren Fällen von allen Teilschritten des Filtrationsprozesses das größte Optimierungspotential. Die hohe Zahl relevanter Einflussgrößen, möglicher Prozesskombinationen und nichtidealer Einflüsse sowie die in komplizierter Wechselbeziehung stehenden Vorgänge im Filterkuchen erschweren die Optimierung solcher Prozesse. Zugleich besteht gerade für die Waschung hierzu ein großer Bedarf, verursacht sie doch sowohl bedeutende Kosten durch die Kapitalbindung, die mit der Belegung von Apparatekapazität einhergeht, als auch Betriebskosten durch die Bereitstellung und die spätere teure Aufbereitung des Waschfluids. In der technischen Praxis besteht eine Tendenz hin zu Prozessen mit immer feineren Partikelsystemen. Vermehrt treten deshalb die Oberflächeneigenschaften der Feststoffe als im Prozess veränderliche Parameter in Erscheinung. Praxisberichte zu den damit verbundenen Phänomenen der Rissbildung oder Setzung, die zu Bypassströmungen führen, beschränken sich auf die qualitative Beschreibung der Problematik. Insbesondere Arbeiten aus dem Bereich der Rheologie lassen eine starke Abhängigkeit der mechanischen Materialeigenschaften von Filterkuchen - der für die Restfeuchte bedeutenden Porosität und des hydraulischen Widerstandes - vom physikalisch-chemischen Zustand des Stoffsystems erkennen. Der Waschvorgang ist naturgemäß mit kontinuierlichen Veränderungen an der stofflichen Zusammensetzung und damit eben dieses Zustandes verbunden. Das Materialverhalten in Prozessschritten, die der Waschung nachgestellt sind, ist von der Reinheit des Kuchens abhängig. Zugleich wird die Waschung selbst durch vorangehende Prozessschritte beeinflusst, die auf die Struktur des Kuchens einwirken. Filtrationsprozesse wurden in der Theorie ohne hinreichende Berücksichtigung der Wechselbeziehungen der Prozessabschnitte untereinander und unter stark idealisierten Bedingungen betrachtet. In dieser Arbeit werden zunächst Parametereinflüsse auf die Effizienz der Waschung verschiedener Feinheitsklassen von Produkten untersucht. Die Primärpartikelgrößen wurden dazu in einem breiten Bereich (X50,3: 20nm, 0.5µm, 3µm, 10µm, 50µm) gewählt. Auszuwaschende Modellsubstanzen sind Salze, die jeweils in ungesättigter wässriger Lösung vorliegen. Neben dem Waschverhalten wird bei den feinteiligen Klassen (X50,3<10µm) die Wechselbeziehung zwischen der stofflichen Qualität der Porenflüssigkeit, dem Durchströmungswiderstand des Kuchens und der Kompressibilität herausgearbeitet und im letzten Fall mit Aspekten der Grenzflächeneffekte in Verbindung gebracht. Ein experimentell gestütztes Modell wird entwickelt, das den Einfluss der physikalisch-chemischen Bedingungen auf die Strukturparameter von Filterkuchen und auf ihr Verhalten in allen Prozessschritten beschreibt. Durch dieses Modell wird die Verbindung zwischen den bekannten differentiellen Ansätzen zur Beschreibung des beanspruchungsabhängigen Konsolidierungsverhaltens einerseits und der Waschung von Filterkuchen andererseits hergestellt. Als Konsequenz aus den Untersuchungen zur einstufigen Filterkuchenwaschung wird mit der Strahlwäsche eine Verfahrensentwicklung vorgestellt, die bei mittleren Reinheitsanforderungen eine Einsparung von Prozesszeit und Waschflüssigkeit ermöglicht. Abschließend werden einige konstruktive Aspekte aufgezeigt, die bereits bei der Entwicklung von Filteranlagen zur Waschung zu beachten sind.

Autor*in

Jürgen Heuser

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Aufreinigung Elektrolyteinfluss Filterkuchen Filterkuchenwaschprozess Filtration Mechanik Peomeabilität Prozess Struktur Verfahrenstechnik Verunreinigung Waschung

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