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Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von Verunreinigungen aus Flüssigkeiten, kolloidalen Lösungen, Emulsionen und ähnlichen Dispersionen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von Verunreinigungen aus kolloidalen Lösungen, Emulsionen und ähnlichen Dispersionen durch Filtration.
Bei der üblichen technischen Filtration wird das Filtermaterial derart gewählt, dass die Poren bedeutend kleiner sind als die Teilchen der Verunreinigungen, so dass dieselben auf das Filter zurückgehalten werden.
Bei solchen Flüssigkeiten, welche neben den Kolloiden, emulgierten oder suspendierten Teilchen, welche im Filtrat zurückgefunden werden sollen, auch Fremdstoffe von ungefähr übereinstimmender Grössenordnung enthalten, ist eine schnelle und vollkommene Reinigung mittels oben beschriebener Filtration im allgemeinen nicht durchführbar. Sind die Poren des Filtermaterials von der Grössenordnung der dispergierten Teichen. so werden zwar die Fremdstoffe aus der Flüssigkeit abgeschieden, die dispergierten Teilchen werden jedoch teilweise auch zurückgehalten und das Filtermaterial verstopft sich alsbald. Bei einer grösseren Bemessung der Poren, wobei immer noch Gefahr für Verstopfung droht, gehen die Fremdstoffe zusammen mit den dispergierten Teilchen in das Filtrat über.
Die Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren, das im Gegensatz zu der oben erwähnten tech- nischen"Filtration in der Beschreibung als"physikalisehe"Filtration bezeichnet wird und beruht auf der überraschenden Beobachtung, dass es möglich ist, kolloidale Lösungen, Emulsionen und Suspensionen unter bestimmten. näher anzugebenden Bedingungen restlos durch eine dünne Schicht Filtermaterial, dessen Poren oder Maschen im Durchschnitt grösser als die Abmessungen der Verunreinigungen sind, unter nahezu vollkommener Abscheidung der Fremdstoffe hindurchzuführen.
Grundsätzlich kommen zwei Hauptbedingungen bei der Ausführung des Verfahrens in Betracht, und zwar :
1. die zu reinigende Flüssigkeit ist auf ruhige Weise durch die Filteroberfläche und entlang dieser Oberfläche zu führen ;
2. die Maschinenweite des Filtermaterials ist dem Dispersitätsgrade der im Filtrat erwünschten Teilchen anzupassen.
Eine Verbesserung kann noch erzielt werden durch die Verwendung von möglichst viel-und feinfaserigem Material, doch ist dies keine Hauptbedingung ; obgleich Filterstoff dieser Art bevorzugt wird, können andere Stoffe, beispielsweise durehloehtes Metall oder feines Drahtnetzgewebe, ebenfalls Verwendung finden.
Der oben erwähnte Unterschied im Verhalten der dispersen Teilchen einerseits und der Fremdstoffe anderseits ist wahrscheinlich auf Oberflächenwirkung und Absorption zurückzuführen.
Der Verlauf einer Filtration nach der Erfindung ist nun folgender :
Vor Beginn der Filtration hat man festzustellen, welche Kolloide und gegebenenfalls welche grösseren Gebilde durch das Filtermaterial durchgelassen werden sollen. Bei Milch z. B. sollen nicht nur die rein kolloiden Eiweissstoffe, sondern auch die Fettkügelchen, welche einen Durchmesser von 1 bis 20 besitzen, in das Filtrat hinübergehen. In diesem Falle wählt man vorzugsweise eine Maschenweite von etwa 200 im Filtermaterial. Sobald die Flüssigkeit in das Filtriergefäss geleitet wird, bildet sich sofort entweder aus den Kolloiden oder aus Aggregaten derselben eventuell in kongulierter Form ein
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Niederschlag auf dem Filterstoff.
Je nach der Feinheit und der Zahl der freiliegenden Elementarfasern wird sich die Oberfläche dieser Filtrierschicht schneller entwickeln.
Lässt man nun, gemäss der Erfindung, die zu filtrierende Flüssigkeit dermassen ruhig durch das Filtermaterial hindurchgehen, dass diese Filtrierschicht nicht zerstört wird (z. B. für Milch mit einer Geschwindigkeit von höchstens etwa 1-8 m pro Stunde), so werden nicht nur Fremdstoffe (Schlamm), sondern auch ein grösserer oder geringerer Teil etwa vorhandener Bakterienkolonien, welche in Form von Schnüren (Streptokokken) auftreten, mit der ihnen anhaftenden schleimigen Masse auf den Fasern niedergeschlagen, während die kolloiden Teilchen und auch grössere Gebilde, wie z. B. die oberwähnten Fettkügelchen der Milch, hindurchgehen.
Es ist klar, dass man bei dem weiteren Verlauf der Filtration dafür Sorge zu tragen hat, dass die beschriebene Filtrierschicht nicht zerstört wird. Eine fortgesetzt ruhige Bewegung der zu reinigenden Flüssigkeit durch die Filteroberfläche mit einer linearen Geschwindigkeit, welche geringer ist als etwa 1-8 m pro Stunde, und entlang dieser Oberfläche mit einer 18 m pro Stunde nicht übersteigenden Geschwindigkeit ist somit erforderlich.
Die zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen sind verschiedenen Bedingungen anzupassen, welche bei den gewöhnlichen Filtrierapparaten in der Regel nicht erfüllt werden.
Die Hauptbedingung, welcher die Apparate nach der Erfindung genügen sollen, ist, dass das zu filtrierende Material den Filterelementen in sehr gleichmässiger und ruhiger Weise zugeführt werden kann ; ohne spezielle Massnahmen zur Verhütung, dass die Filterelemente von einem starken Flüssigkeitsstrome getroffen werden, ist eine Zufuhr von einem einzelnen Punkte aus zu vermeiden.
Diese Bedingung wird nun beispielsweise bei Filterpressen und Beutelfiltern der üblichen Form nicht erfüllt.
Es wird dieser Bedingung genügt, falls ein oder mehrere an sich bekannte Filterelemente in einem Teile eines Filtrierbehälters angeordnet werden, worin die zu filtrierende Flüssigkeit sich ruhig und langsam bewegen kann, indem noch in irgendeiner Weise dafür Sorge zu tragen ist, dass die Filterelemente sich fortwährend unter dem Flüssigkeitsspiegel befinden.
Konstruktiv ist dieses Prinzip in sehr mannigfaltiger Weise zu verwirkliehen. Grundsätzlich besteht ein Filtrierapparat, welcher den erwähnten Bedingungen genügt, aus einem Gefäss, in welchem vorgesehen sind ein Zufuhrraum, dem die zu filtrierende Flüssigkeit zugeführt wird, und ein Filterelementenraum, worin sich ein oder mehrere lot-oder waagrecht aufgestellte Filterelemente befinden, welche ausserhalb des Gefässes ausmünden, und zwar an der Oberseite oder an der Unterseite dieses Gefässes oder des Filterelementenraumes.
Zur Scheidung zwischen dem Zufuhrraum und dem Filterelementenraum kann eine Platte vorgesehen werden, welche die Verbindung zwischen beiden Räumen zum grössten Teile abschliesst. Diese Platte, welche Zonenplatte genannt wird, weil dieselbe eine Abscheidung zwischen der unruhigen Zufuhrzone und der ruhigen Filterelementenzone bildet, wird an einer von den Eigenschaften der zu filtrierenden Flüssigkeit bedingten Stelle angeordnet.
Des weiteren wird man bei der Konstruktion eines Apparates nach der Erfindung die totale Fil- trieroberfläche und den Totalumfang dieser Oberflächen zu bestimmen haben als Funktionen der die Strömungsenergie liefernden Druckdifferenz hinsichtlich der Viskosität und des Reibungskoeffizienten der zu filtrierenden Flüssigkeit und der Form und Grösse der Abfuhröffnungen der Filterelemente.
Zwecks übersichtlicher Zusammenfassung der verschiedenen beim Apparat in Betracht kommenden Grössen nennt man : A, den in Metern ausgedrückten Abstand zwischen je zwei Filterelementen (bzw. der doppelte Abstand zwischen Filterelement und Wand). V, die zulässige mittlere Geschwindigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit durch den Filterstoff in Metern pro Stunde. V, die zulässige Geschwindigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit entlang den Filterelementen in Metern pro Stunde. 0, die totale wirksame Oberfläche eines Filterelementes in Quadratmetern. L, der grösste Umfang eines Filterelementes in Metern.
Die Kapazität eines Filterelementes ist nun : OV = ALyi, woraus sich die Beziehung ergibt ;
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worin A also der zulässige Minimalabstand zwischen den Filterelementen ist. Ist beispielsweise für Milch V 1'8'in pro Stunde und V z 18 m pro Stunde, so findet man für das Verhältnis
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wodurch sich die Formel (1) vereinfacht zu
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Der gegenseitige Abstand, in welchem die Filterelemente voneinander angeordnet sind, wird derart gewählt,
dass bei einer Geschwindigkeit der Flüssigkeit von etwa 1'8 m pro Stunde durch die Filtrieroberfläche eine Zuströmungsgeschwindigkeit von 18 m pro Stunde entlang der Oberfläche der Filterelemente nicht überschritten wird.
In Fig. 4 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der zwei horizontale Filterelemente in einem an der Seitenwand von einer gesonderten Kammer 22 abgeschlossenen Behälter angeordnet sind. In diese Kammer 23 münden die mit den Filterelementen verbundenen Rohre 24 aus.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform fliesst die Milch oder eine andere zu reinigende Flüssigkeit in den Behälter 13 in gleichmässigem Strom. Dort kann es, namentlich für kleinere Anlagen, erwünscht sein, die Milch unmittelbar aus den Milchkannen zu giessen. Die Milch würde sich dann in heftigen Wirbeln um den Rand der vorspringenden Platte bewegen und sodann die Wirkung des Filters beeinträchtigen. Um dieser Störung vorzubeugen, kann die Einrichtung nach Fig. 2 in der in Fig. 5 abgeänderten Form verwendet werden. Eine Platte 18'entspricht der Platte 18 in Fig. 2 und ist an dem Rande mit einem aufrecht stehenden Rahmen 25 versehen, während sich in dem oberen Teile des Behälters ein Trichter 26 befindet.
Das Niveau der Milch in dem Behälter befindet sich oberhalb der Platte 18 und wird in dieser Lage gehalten, weil der obere Teil des mit dem Filterelement mittels der Mutter 29 abnehmbar verbundenen gekrümmten Ablaufrohres 27 sich über die Ebene der Platte 18'erhebt. Sowohl bei dieser Einrichtung wie bei der nach Fig. 2 können mehrere Filterelemente und gekrümmte Rohre 27 vorgesehen sein.
Der bei unterbrochenem Betrieb erwünschte Zweck, die Filterelemente und die Platte beständig untergetaucht zu halten, kann auch in anderer Weise, z. B. durch die Einrichtung nach Fig. 6, erreicht werden. Bei dieser Ausführungsform munden die Anströmröhre der Filterelemente in einem kleinen Seitenbehälter 17'mit Auslass 31 aus, dessen Überlauf sich oberhalb der Schutzplatte 18"befindet. Der Auslass 32 dient für Kontrollzwecke und ermöglicht die Regulierung jedes gesonderten Filterelementes.
Der Apparat nach Fig. 6 kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, mit einem Trichter 26 versehen sein, so dass die Flüssigkeit ohne weitere Vorsichtsmassregel in den Apparat gegossen werden kann.
Es sei noch bemerkt, dass bei dem Verfahren laut dieser Erfindung eine sehr hohen Anforderungen entsprechende Reinigung einer kolloiden Flüssigkeit wie Milch ohne Erwärmung der Flüssigkeit oder ohne irgendeine andere Vorbehandlung erreicht werden kann, im Gegensatz zu den bisher üblichen Verfahren und Vorrichtungen, bei welchen befriedigende Ergebnissehauptsächlichnurmitwarmer Milch, beispielsweise nach der Pasteurisation, erzielt werden konnten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Abscheidung von Verunreinigungen aus kolloidalen Lösungen, Emulsionen und ähnlichen Dispersionen, dadurch gekennzeichnet, dass man die FlÜssigkeit einer auf Adsorption beruhenden Filtration durch Filtermaterial, dessen Schichtdicke von der Grössenordnung von Millimetern ist, und
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unreinigungen unter durchgehender Dispersion durch Regelung des Verhältnisses der Geschwindigkeiten der durch das Filtermaterial und der entlang dem Filtermaterial strömenden Flüssigkeit erzielt wird.