Artikel durch Dick und dünn

Diskontinuierliche Filterzentrifugen werden in der chemischen und pharmazeutischen Industrie bei der Abtrennung von Feststoffen aus Suspensionen eingesetzt. Das charakteristische Merkmal diskontinuierlicher Filterzentrifugen ist der Aufbau eines Filterkuchens während des Füllvorganges, der anschließend beliebig lange und oft gewaschen und trockengeschleudert werden kann. Typische Bauarten von diskontinuierlichen Filterzentrifugen sind z.B. Obenentleerungszentrifugen, vertikal oder horizontal gelagerte Schälzentrifugen und Stülpfilterzentrifugen.

Als Betreiber solcher Zentrifugen muss man sich häufig mit der Frage auseinandersetzen, welche Durchsatzleistung diese Zentrifugen haben bzw. wie die Leistung einer vorhandenen Zentrifuge optimiert werden kann. Nicht nur die Produkteigenschaften, wie Partikelgröße und Partikelform, Feststoffkonzentration, Dichte des Feststoffes etc., sondern auch die richtige Fahrweise der Zentrifuge haben einen wesentlichen Einfluss auf deren Leistung, also auf Durchsatz, Restfeuchte und Waschergebnis. Ein oft unterschätzter Betriebsparameter ist die Filterkuchenhöhe. Aus diesem Grund wird im Folgenden anhand verfahrenstechnischer Grundlagen der Einfluss der Filterkuchenhöhe auf die Auswahl und Leistung von Filterzentrifugen beschrieben.

Der Betrieb diskontinuierlicher Filterzentrifugen folgt dem klassischen Zyklus für Batchprozesse: Zunächst wird die Trommel befüllt und die Suspension auf das Filtermedium gegeben, dann wird der Filterkuchen gewaschen und trocken geschleudert. Die zeitbestimmenden Vorgänge sind in aller Regel die Schleuderzeiten, während derer der Filterkuchen von der Mutter- oder Waschlauge durchströmt wird. Der Vorgang des Durchströmens kann näherungsweise mit der Darcy-Gleichung (siehe oben) erläutert werden, welche die laminare Durchströmung des Filtrates durch einen inkompressiblen Filterkuchen beschreibt.

Das Druckgefälle ip, erzeugt durch die Fliehkraft, treibt die Filtration an. Das Produkt aus Druckgefälle und Filterfläche A ergibt die so genannte Äquivalente Filterfläche. Sie entspricht dem maschinentechnischen „Filtrationspotenzial“ einer Zentrifuge. Maximale Drehzahl und Filterfläche der Zentrifuge sind dabei die bestimmenden Faktoren, wobei im Betriebsalltag nur noch die Drehzahl variiert werden kann. Die Viskosität der Mutterflüssigkeit hL sowie der produktspezifische Kuchenwiderstand rC beschreiben die Produkteigenschaften, die in der Regel nicht beeinflusst werden können. Der produktspezifische Kuchenwiderstand rC ist von der Porosität, der Partikelgrößenverteilung, der Form- und der Oberflächeneigenschaft der Partikel sowie von Grenzflächeneigenschaften abhängig. Die verbleibenden, variablen Prozessparameter, die nachfolgend näher beschrieben werden, sind der Widerstand des Filtermediums RM und vor allem die Filterkuchenhöhe hc.
Das Filtermedium ist in den meisten Fällen ein aus Kunstfasern wie Polyamid, Polypropylen, Polyethylen oder PTFE gewobenes Filtertuch. Welches Material hinsichtlich der chemischen und thermischen Beständigkeit das passende ist, lässt sich relativ einfach aus Materialbeständigkeitslisten ermitteln. Die Gewebeart des Filtertuchs hat entscheidenden Einfluss auf das Rückhaltevermögen und den Filtrationswiderstand. In der Praxis findet man am häufigsten monofile und multifile Gewebe. Ein multifiles Gewebe ist aus mehreren Fasern gewoben, ein Filtertuch aus monofilem Gewebe dagegen nur aus einer Faser. Multifile Filtertücher werden häufig dann eingesetzt, wenn die Zentrifugen keine Feststoffgrundschicht nach dem Entleeren aufweisen (z.B. Stülpfilterzentrifugen, Vertikalzentrifugen mit Obenentleerung). Sie besitzen ein hohes Rückhaltevermögen und es wird ein relativ guter Klarlauf (kein Trübstoß) des Filtrats erreicht.
Für Zentrifugentypen mit Feststoffgrundschicht (z.B. horizontale und vertikale Schälzentrifugen) können auch monofile Filtertücher ausreichen, weil die Grundschicht wie ein Filtermedium wirkt. Die Wahl des Gewebes stellt immer einen Kompromiss zwischen dem Rückhaltevermögen des Tuches und der Feststoffkapazität (Tuchwiderstand RM) dar. Dabei gilt der Grundsatz: Je dichter ein Tuch ist, desto mehr Partikel hält es zurück, aber es verlangsamt auch den Filtratstrom und beeinflusst deshalb die Kapazität der Zentrifuge.
Die Kuchenhöhe hc ist der wichtigste Parameter, der variiert werden kann, um die Durchlaufleistung und die erzielbare Restfeuchte einer Zentrifuge zu optimieren. Leider wird dieser Zusammenhang oft nicht ausreichend berücksichtigt, wenn verschiedene Filterzentrifugen verglichen werden. Die optimale Kuchenhöhe für Produktionsmaschinen lässt sich beispielsweise mit Vorversuchen auf einer Labornutsche oder einer Technikumszentrifuge bestimmen. Hierbei können mit relativ wenig Zeitaufwand und geringen Produktmengen von 0,5 bis 5kg Versuche mit verschiedenen Kuchenhöhen gefahren werden, um zentrale Prozessdaten wie die Schleuderzeit und die Restfeuchte zu ermitteln. Diese Daten lassen sich direkt auf große Zentrifugen übertragen.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mit einer Labornutsche die Permeabilität eines Produktes zu ermitteln, um dann mit Hilfe einer Zentrifugen-Simulationssoftware (z.B. CentriStar, www.fos-filtration.com) eine qualitative Leistungsabschätzung durchzuführen, wie folgendes Beispiel zeigt.

Um den Einfluss der Restfeuchte und der Leistung über die Filterkuchenhöhe hc zu ermitteln, wurde als Ausgangsbasis ein gut filtrierendes und ein schwer filtrierendes Produkt untersucht. Beim leicht filtrierenden Produkt liegt die beste Leistung bei vergleichsweise hohen Kuchendicken. Dies liegt an der besseren Permeabilität des Kuchens. Betrachtet man die Abhängigkeit von Kuchenhöhe und Restfeuchte, weist das leichter filtrierende Produkt auf Grund seiner besseren Permeabilität über alle Kuchenhöhen eine geringere Restfeuchte auf. Je schwerer das Produkt filtriert, desto geringer ist dagegen auch die optimale Filterkuchenhöhe im Hinblick auf eine optimale Durchsatzleistung. Viele Betreiber in der industriellen Praxis tun sich offenbar schwer mit der Erkenntnis, dass in diesem Fall bei geringeren Kuchenhöhen, also bei einer „fast leeren“ Zentrifugentrommel, eine insgesamt höhere Durchsatzleistung erreicht werden kann. Diesen Vorteil kann allerdings nur die Stülpfilterzentrifuge ausspielen.

Überraschend erscheint zunächst auch, dass mit zunehmender Kuchenhöhe die mittlere Restfeuchte des Filterkuchens steigt. Hier wird jedoch deutlich, dass auch die Entfeuchtungskinetik, die über die Entfeuchtungskennzahl Ks beschrieben werden kann, eine wichtige Rolle spielt. Im Zentrifugalfeld leeren sich durch die Massenkraft zunächst die groben Poren des Filterkuchens. Anschließend strömen die an den Feststoffpartikeln anhaftenden Flüssigkeitsmengen ab. Dieser zweite Entfeuchtungsvorgang ist zeitabhängig und wird über die Entfeuchtungskennzahl beschrieben. In dieser Kennzahl stecken Parameter wie die Permeabilität, C-Wert und die Filtrationszeit. Ein Vergleich von zwei unterschiedlichen Filtrationszeiten verdeutlicht, wie die Filtrationszeit die Restfeuchte beeinflusst. Bei einer Filtrationszeit von 60s steigt die Restfeuchte mit zunehmender Kuchenhöhe deutlich an. Bei einer Filtrationszeit von 1800s bleibt die Restfeuchte trotz einer zunehmenden Kuchenhöhe mehr oder weniger gleich, d.h. ein Gleichgewichtszustand konnte erreicht werden. In der industriellen Praxis wird dieses Gleichgewicht jedoch selten angestrebt, weil hierbei natürlich auch die Durchsatzleistung deutlich sinkt. Die geringste Restfeuchte wird bei dünneren Filterkuchen erreicht, die maximale Kapazität bei dickeren Kuchen.

In der Praxis bedeutet dies, dass grobkörnige Produkte mit hoher Permeabilität und geringer innerer Filterkuchenoberfläche am wirtschaftlichsten mit großen Kuchenstärken auf volumenfassenden Zentrifugen abgetrennt werden können. Im Gegensatz dazu sollten feinkörnige Produkte mit geringer Permeabilität und hoher innerer Filterkuchenoberfläche mit geringen Kuchenhöhen auf flächenorientierten, schnell entleerenden Zentrifugen abgetrennt werden.

Anhand von zwei Praxisbeispielen aus der Industrie soll dies nochmals verdeutlicht werden. Im ersten Beispiel geht es um leicht filtrierenden REA-Gips, der in der Regel auf vertikalen Schälzentrifugen abgetrennt wird. Die Gesamtzykluszeit beträgt 15-20 Minuten, die optimale Kuchenhöhe beträgt etwa 260mm bei einer Restfeuchte von ca. 10Prozent. Der sehr schwer filtrierende Kaliumsulfatschlamm erfordert dagegen eine Fahrweise mit dünnen Filterkuchen. Die optimale Filterkuchenhöhe liegt hier bei nur 15-20 mm bei einer Zykluszeit von rund 15 Minuten und einer Restfeuchte von ca. 18 Prozent. Die kurze Zykluszeit bedingt eine schnellentleerende Zentrifuge – weshalb hier eine Stülpfilterzentrifuge geeignet ist.

Fazit:Als Leitfaden für die Auswahl des geeigneten Zentrifugentyps gilt also prinzipiell: Bei leicht filtrierenden Produkten können große Kuchenhöhen aufgebaut werden, weshalb Trommelvolumen benötigt wird. Für diese Anwendung sind vertikale Obenentleerungs- oder Schälzentrifugen gut geeignet. Bei schwerer filtrierenden Produkten empfiehlt es sich dagegen, eher dünnere Filterkuchen aufzubauen und horizontale Zentrifugen wie Schälzentrifugen oder noch besser Stülpfilterzentrifugen einzusetzen. Unabhängig von der Wahl der Zentrifuge gilt: Für jedes Produkt gibt es eine optimale Filterkuchenhöhe. Die Filterkuchenhöhe ist der zentrale Parameter bei der Leistungsoptimierung einer Filterzentrifuge. Das wird in der industriellen Praxis nicht immer ausreichend beachtet.