Verfahren und Einrichtung zur dynamischen Filtration von Suspensionen
Die Filtration von schwierig filtrierbaren Suspensionen wird in den verschiedenen Industriezweigen mittels Druckfiltern verschiedenen Typs durchgeführt, wie zum Beispiel mit Filterpressen, kontinuierlichen Trommel-Druckfiltern, Band-Druckfiltern und automatischen Filterpressen. Nachteil solcher Filtereinrichtungen ist ihr bedeutendes spezifisches Gewicht und Volumen pro 1 m2 Filterfläche, die hohen Investitionskosten, der hohe Verbrauch an Druckgas, das mit einem niedrigen energetischen Wirkungsgrad hergestellt wird. Bei Filterpressen zeigt sich als Nachteil der bedeutende Verbrauch an Filtertuch, der durch das häufige Auseinandernehmen, durch das wiederholte Eintauchlen und den hohen Druck bedingt ist, weiter der grosse Aufwand an Arbeitskräften und die schweren Arbeitsbedingungen.
Bei kontinuierlich arbeitenden Druckfiltern ergaben sich Schwierigkeiten mit der Abfuhr des Filter kuchens aus dem Druckraum, mit der Art des Einspannens, mit dem Antrieb des Filtertuches und mit dem Abdichten der beweglichen Teile.
Der grösste Mangel ist jedoch die niedrige spezifische Leistung der Einrichtung, die auf eine Einheit der Filterfläche entfällt.
Das Wesen der Schwierigkeiten liegt im Mechanismus der Filtration und dem Durchwaschen. Nimmt man eine Filtration unter gleichem Druck an, dann gilt zwischen der Menge V des durchgeflossenen Filtrates und der Zeit t folgende Beziehung: (V + V0)2 2 = C (t + to) Die Konstanten Vo und to charakterisieren die Eigenschaften der Filterschicht, die Konstante C charakterisiert die Eigenschaften des Filterkuchens und Filtrates und den Einfluss des Druckes. Diese Gleichung ist graphisch auf der Fig. 1 dargestellt. In Hinblick darauf, dass die Dicke des Filterkuchens in direkter Abhängigkeit von der Menge des durchgeflossenen Filtrates steht, kann durch die oben angeführte Beziehung die Abhängigkeit zwischen der Dicke des Filterkuchens S und der Geschwindigkeit der Filtration v ausgedrückt werden.
Die allgemeine Form dieser Abhängigkeit ist in der Fig. 2 dargestellt. Aus dem Graphikon ist die vielfache Herabsetzung der Filtrationsgeschwindigkeit bei Vergrösserung der Dicke des Filterkuchens sichtbar.
Damit der feste Stoff (Filterkuchen) möglichst rein ist, ergibt sich die Notwendigkeit, den Filterkuchen häufig mit der Waschflüssigkeit durchzuwaschen. Im Falle, dass das Produkt im Filtrat enthalten sein soll, muss durch das Durchwaschen eine maximale Filtratmenge gewonnen werden.
Das Durchwaschen verläuft in der Regel bei konstanter Geschwindigkeit des Durchlaufes der Waschflüssigkeit. Bei Einhalten eines gleichen Druckgefälles und bei gleicher Viskosität der Waschflüssigkeit, wie beim Filtrat, ist die Geschwindigkeit des Durchlaufes der Waschflüssigkeit die gleiche wie die Endgeschwindigkeit der Filtration.
Die Dauer des Durchwaschens richtet sich nach dem geforderten Grad der Beseitigung der gelösten Stoffe aus dem Filterkuchen. Es ist hierbei vorteilhaft (besonders bei kontinuierlicher Erzeugung), am Anfang des Durchwaschens eine Waschflüssigkeit zu verwenden, die bereits ein bestimmtes Prozent an gelösten Stoffen enthält. Mit steigendem Grad der Auswaschung wird dann allmählich eine reinere Waschflüssigkeit verwendet, bis schliesslich das letzte Durchwaschen mit reiner Flüssigkeit durchgeführt wird.
Bei einer diskontinuierlichen Einrichtung würde eine solche Art des Auswaschens eine Reihe von Behältern mit grossem Inhalt und eine verhältnismässig komplizierte Manipulation bei der Bedienung erfordern. Bei kontinuierlichen Einrichtungen ist in diesem Falle notwendig, das Auswaschen in mehrere Stufen aufzuteilen, was ebenfalls schwierig ist. Es wird darum in einem solchen Fall das ganze Auswaschen meistens mit reiner Flüssig keit ausgeführt, von der dann eine wesentlich grössere Menge verbraucht wird, wobei die Waschflüssigkeit verhältnismässig wenig Prozente an gelösten Stoffen enthält.
Im Falle, dass durch das Auswaschen aus dem Filterkuchen schädliche Stoffe entfernt werden, die zum Beispiel nicht in die Wasserläufe abgelassen werden können, ist deren Neutralisierung in Hinblick auf die grosse Flüssigkeitsmenge und die geringe Konzentration schwierig und kostspielig.
Bei der Herstellung feindispergierter Farbstoffe ist man bemüht, ein Produkt zu gwinnen, das möglichst feine Teilchen mit einer Grösse von etwa 1-2 Mikron enthält. Dies kann direkt bei ihrer Erzeugung erzielt werden, aber die Filtration und das Durchwaschen der Suspension mit feinen Teilchen ist infolge des Verklebens der Filterschicht und des Widerstandes des Filterkuchens sehr schwierig und meistens im Betrieb nicht realisierbar.
Bei der Mehrheit von schwer filtrierbaren Suspensionen werden etwa 20-30 Volumprozent Trockensubstanz im Filterkuchen erreicht, der thixotrope Eigenschaften zeigt und solange er in Ruhe ist, sich wie eine Paste verhält. Wenn einer solchen Paste 2-5 % Flüssigkeit oder eine entsprechende Menge eines Emulgators zugesetzt wird und gegebenenfalls diese Paste einem intensiven Rühren unterworfen wird, beginnt die Paste zu fliessen.
Diese Erkenntnisse wurden nun bei dem Verfahren und der Einrichtung der dynamischen Filtration verwendet.
Das Verfahren der dynamischen Filtration von Suspensionen mit Hilfe einer Filterschicht mit Druckabfall auf beiden Seiten dieser Filterschicht, wobei der Filterkuchen aus der Filterschicht entfernt und mit der Suspension durch Einwirkung der intensiven relativen Bewegungen der Filterschicht gegenüber der in der Nähe dieser Filterschicht angeordneten Wand vermischt wird, ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Suspensionsmenge von der Zuleitungsstelle der Suspension bis zur Ableitungsstelle des eingedickten Filterkuchens durch den Raum zwischen der Filterschicht und der in der Nähe dieser Filterschicht angeordneten Wand durchgeht und durch die relative Bewegung der Filterschicht gegenüber der Wand diese Suspension sowie der eingedickte Filterkuchen in flüssigem Zustand gehalten wird.
Diese Wirkung wird durch eine intensive relative Bewegung der Filterschicht gegenüber der in ihrer Nähe angeordneten Wand erzielt, wobei der Raum bei der Suspensionszuleitung mit der Abflussstelle des eingedickten Filterkuchens durch den zwischen der Filterschicht und der Wand sich befindlichen Raum verbunden ist.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wandoberfläche mit der Filterschichtoberfläche parallel verläuft und deren Abstand relativ klein ist, wobei sich die einzudickende Suspension in der senkrechten Richtung zu der Richtung der relativen Bewegung der Filterschicht gegenüber der Wand beim gleichzeitigen Eindicken bewegt. Auch beim intensiven Rühren kommt es nicht zum Vermischen des Inhaltes aus der Zuleitungsstelle der Suspension mit dem Inhalt am Umfang des eingedickten Filterkuchens, so dass sich diese einzudickende Suspension vor der Zuführung der Suspension bis zum Ablauf des eingedickten Filterkuchens in der senkrechten Richtung zur relativen Bewegung der Filterschicht gegenüber der Wand bewegt beim gleichzeitigen kontinuierlichen Eindicken.
Durch umfangreiche Versuche wurde festgestellt, dass auf diese Art eine um 10-20 % höhere Konzentration des Festmaterials im Filterkuchen erzielt werden kann, als sie heute bei den jetzt bekannten Druckfiltern erreicht werden kann.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.
Die grundlegende Anordnung der Einrichtung ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Einrichtung besteht aus einem Druckgefäss 1, das mit der Stopfbuchse 2 versehen ist, durch welche die hohle Welle 3 hindurchgeht. Der hohle Filterkörper 4 ist auf der Welle 3 innerhalb des Gefässes 1 aufgesetzt. Das Druckgefäss 1 ist mit dem Stutzen 5 für die Zuleitung der Suspension und dem Stutzen 6 für die Ableitung der eingedickten Suspension versehen. Am Stutzen 6 ist ein Regelventil 7 befestigt.
An den Stirnflächen des Filterkörpers 4 sind die Filterschichten 8 befestigt.
Die dargestellte Einrichtung arbeitet folgendermassen:
Durch den Stutzen 5 wird in das Gefäss 1 kontinuierlich die Suspension zugeführt, die durch den rotierenden Filterkörper 4 intensiv durchmischt wird. Das durch die Filterschichten 8 durchgegangene Filtrat läuft durch die hohle Welle 3 aus dem Filter ab. Dadurch wird die Konzentration der Festteilchen im Raume des Filters erhöht. Am Anfang der Filtration ist das Regulierventil 7 so lange abgesperrt, bis die optimale Konzentration der Festteilchen in der Suspension im Gefäss 1 erreicht wird. Beim normalen Betrieb wird der Abfluss durch den Stutzen 6 derart reguliert, damit die Konzentration der Suspension im Gefäss 1 optimal wäre.
Die Einrichtung kann in vertikaler oder horizontaler Lage angeordnet werden.
Die Form des Gefässes 1 kann verschieden sein und wird mehr oder weniger durch die Form des Filterkörpers 4 bestimmt. Das Gefäss kann als Zylinder ausgebildet werden, der mit flachen Deckeln, gewölbten oder kegelförmigen Böden, eventuell mit einer beliebigen Kombination dieser Bestandteile, gegebenenfalls mit einer Einschränkung oder Weglassung des Zylinderteiles versehen ist. Die alternative Durchführung mit dem durch den Zylinder 46 mit flachen Deckeln 45 gebildeten Gefäss wird schematisch in der Fig. 14 veranschaulicht.
Der Filterkörper 4a kann gemäss Fig. 4 die Form eines Zylinders mit der Filterschicht 8a besitzen, welche an dem Zylinderteil, eventuell auch an den Deckeln befestigt ist. Eine andere Form ist in der Fig. 5 dargestellt, wo der Filterkörper 4b durch zwei Kegelstümpfe gebildet ist. Gemäss Fig. 3 hat der Körper 4 die Form einer hohlen Scheibe.
Zur Erhöhung der Intensität des Rührens des Filterinhaltes können die Filterkörper 4, 4a, 4b auch mit Rippen oder Schaufeln 9 (wie in der Fig. 5 dargestellt ist), versehen sein. Eine Erhöhung der Intensität des Rührens kann auch durch Anordnung des Filterkörpers 4 im Gefäss 1 so erzielt werden, dass seine Achse exzentrisch zur Achse des Gefässes 1 angeordnet, und zwar zu ihr parallel ist, oder sie kann auch schneidend, beziehungsweise schief hinsichtlich der Achse des Gefässes 1 gelagert sein.
Die Filterschicht 8 kann aus einer oder mehreren Schichten von Filtermaterial mit gleicher oder verschiedener Porengrösse bestehen, wobei die oberste Schicht aus einem abriebfesten Material angefertigt sein kann. Da beim dynamischen Filter der Filterkuchen von der Oberfläche der Filterschicht dauernd entfernt werden kann, bildet sich auf der Filterschicht kein Film, der zum Auffangen der feinen Teile des suspendierten festen Stoffes notwendig ist. Dieses Prinzip kann zum Abtrennen feiner Teilchen von groben Teilchen benützt werden. In einem solchen Falle werden die feinen Teilchen mit dem Filtrat abgeführt.
Im Falle, dass ein vollkommenes Auffangen der festen Teilchen notwendig ist, kann die Beseitigung dieses Mangels so durchgeführt werden, dass gemäss Fig. 6 auf dem Grundmaterial 10 die Oberschicht 11 aus einem wesentlich schüttererem Material mit einer Dicke von eventuell mehreren mm besteht. Die Öffnungen dieser Oberschicht füllen sich mit den festen Teilchen 12 der filtrierten Suspension an und bilden so eine Filterschicht, die für die feinsten Teilchen undurchlässig ist.
Eine andere Art zur Gewinnung eines Filterfilms ist in der Fig. 7 gezeigt. Zwischen zwei Schichten des Filtermaterials 13 und 14 sind die Distanzeinlagen 15 angeordnet. Für die Ausbildung des Filterfilms entstehen so die Räume 16.
Die Abnahme des Filtrates aus dem Hohlraum des Filterkörpers 4 kann beim dynamischen Filter auf verschiedene Weise durchgeführt werden. In der Fig. 3 wird eine völlige Ausfüllung des Hohlraumes des Filterkörpers, eine Überwindung der Zentrifugalkraft und weiterer Widerstände durch Erhöhung des Druckes im Filter vorausgesetzt. In der Fig. 8 ist das Entleeren mit Hilfe eines feststehenden Diffusorrades 17 dargestellt, das sich innerhalb des rotierenden Filterkörpers 4c und des Ablaufrohres 18, welches durch die Welle 3 a hindurchgeht, befindet. In der Fig. 9 ist das Entleeren in ähnlicher Weise durchgeführt, anstelle des Diffusorrades ist ein feststehendes Segnerrad 19 verwendet.
Das vorgeschlagene Verfahren und die Einrichtung zur dynamischen Filtration ermöglicht ein völlig kontinuierliches Auswaschen in mehreren Stufen, wobei sich die Waschflüssigkeit im Laufe des Auswaschens nach und nach mit dem löslichen Stoff so sättigt, dass die eingedickte Suspension schon mit verwendeter Waschflüssigkeit, die einen bestimmten Anteil von gelöstem Stoff enthält, durchgewaschea wird.
In der Fig. 10 ist die Schaltung von drei dynamischen Filtern für die Filtration und ein zweistufiges Durchwaschen dargestellt. Die Positionen 1, 21, 31 stellen die Gefässe der dynamischen Filter in der vorherbeschriebenen Durchführung dar. Der Stutzen 6 des Gefässes 1 ist mit Hilfe der Leitung 20 mit dem Eintrittsstutzen 21 verbunden. Der Auslassstutzen 24 des Gefässes 21 ist mit Hilfe der Leitung 26 mit dem Eintrittsstutzen 27 des Gefässes 31 verbunden. Das Gefäss 31 ist mit dem Stutzen 30 für den Auslass der eingedickten und durchgewaschenen Suspension und mit der hohlen Welle 29 für den Auslass der abfiltrierten Waschflüssigkeit versehen. Das analoge Gefäss 21 ist ebenfalls mit der hohlen Welle 23 für den Auslass der Waschflüssigkeit versehen.
An der Leitung 26 ist der Stutzen 25 für die Zufuhr reiner Waschflüssigkeit angebracht. Die hohle Welle 29 ist mit Hilfe der Leitung 28 mit der Pumpe 32 und die Pumpe 32 durch die Leitung 33 mit dem Stutzen 34, der an die Leitung 20 angeschlossen ist, verbunden.
Die Einrichtung arbeitet in folgender Weise: In das Gefäss 1 wird kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit durch den Stutzen 5 die zu filtrierende Suspension zugeführt. Das Filtrat strömt durch die hohle Welle 3 ab. Die eingedickte Suspension wird durch den Stutzen 6 und die Leitung 20 in den Stutzen 22 des Gefässes 21 abgeleitet. In die Leitung 20 wird durch den Stutzen 34 die teilweise gesättigte Waschflüssigkeit zugeleitet. Das Gemisch der eingedickten, nicht durchgewaschenen Suspension und der teilweise gesättigten Waschflüssigkeit wird im Gefäss 21 völlig durchgerührt. Die gesättigte Waschflüssigkeit wird im Gefäss 21 gemäss dem vorher beschriebenen Verfahren abfiltriert und läuft durch die hohle Welle 23 in den Ablauf.
Die teilweise durchgewaschene, eingedickte Suspension läuft durch den Stutzen 24 ab; mit Hilfe der Leitung 26, in der sie mit reiner Waschflüssigkeit, die durch den Stutzen 25 zugeführt wird, gemischt wird, tritt sie in den Stutzen 27 des Gefässes 31. Im Gefäss 31 wird das Gemisch durchgemischt und die teilweise gesättigte Waschflüssigkeit geht nach dem Abfiltrieren durch die hohle Welle 29 ab. Die durchgewaschene, eingedickte Suspension wird aus dem Gefäss 31 durch den Stutzen 30 abgeführt.
Die teilweise gesättigte Waschflüssigkeit wird durch die Leitung 28 der Pumpe 32 zugeführt, durch welche sie mit Hilfe der Leitung 33 in den Stutzen 34 geführt wird.
In analoger Weise kann eine eingedickte Suspension in n Stufen mit Hilfe von n + 1 dynamischen Filtern filtriert und gewaschen werden.
Die dargestellte Einrichtung kann alternativ auch in einem gemeinsamen Gefäss angeordnet sein, das mit Trennwänden und den Filterkörpern 4, 4a, 4b auf gemeinsamer Welle 3 versehen ist, in welcher selbständige Kanäle für die Abfuhr des Filtrates und der Waschflüssigkeit unter Einhaltung der angeführten Funktionsschaltung der Einrichtung vorhanden sind.
Eine andere Anordnung ist in Fig. 11 dargestellt.
Die Einrichtung besteht aus dem Gefäss 35, in welches die hohle Platte 36 mit der Filterschicht 37 und dem Ablaufstutzen 41 eingelegt sind.
Auf dem Gefässdeckel befindet sich eine Stopfbuchse 40, durch welche die Welle 39, an der die Scheibe 38 befestigt ist, hindurchgeht. Der Deckel ist mit einer Zuführröhre 42 versehen.
Die dargestellte Einrichtung arbeitet folgendermassen:
Die zu filtrierende Suspension wird durch den Stutzen 42 zugeführt, geht durch den Spalt zwischen der hohlen Platte 36 mit der Filterschicht 37 und der Scheibe 38 und wird aus dem Filter nach dem Eindicken durch den Stutzen 43 abgeführt. Das Filtrat wird aus der hohlen Platte 36 durch den Stutzen 41 abgeführt. Durch den Einfluss der Drehbewegung der Scheibe 38 wird die abfiltrierte Suspension Schnittkräften unterworfen, die sich durch Verschieben der Suspensionsschichten kundgeben und dadurch durch Entfernen der festen Teilchen aus der Filterschicht und durch deren Vermischung mit der Suspension.
Die Verschiebung ist dem gesamten Gradienten der Geschwindigkeit proportional, der der Umfangsgeschwindigkeit direkt proportional und der Schichtdicke zwischen der hohlen Platte 36 und der rotierenden Scheibe 38 umgekehrt proportional ist.
Alternativ können mehrere Filterplatten 36 mit der Filterschicht an einer oder an beiden Seiten und mehrere Scheiben 38 im Gefäss angeordnet werden, wobei sich die hohlen Platten und rotierenden Scheiben wechseln.
Diese Alternative ist in der Fig. 13 dargestellt.
Alternativ kann die rotierende Scheibe 38 durch einen Rührer anderen Typs, z. B. durch einen Rahmenrührer, ersetzt werden.
Man kann auch mit Vorteil die Ausführung gemäss der Fig. 3 und 11 kombinieren, eventuell auch damit, dass im Gefäss mehrere hohle Platten 36 mit Filterschichten 37 auf einer oder auf beiden Seiten und auf der hohlen Welle mehrere Filterkörper 4 mit Filterschichten 8 an beiden Seiten angeordnet werden, wobei die festen hohlen Platten 36 mit Filterkörpern 4 in der angemessenen Entfernung untereinander abwechseln.
Diese Alternative ist schematisch in der Fig. 12 dargestellt. Die Einrichtung besteht aus einer hohlen Welle 3, auf welcher die hohlen Filterkörper 4 mit Filterschichten 8 (Filtertüchern) auf beiden Seiten aufgesetzt sind, aus hohlen Platten 36 mit Filterschichten 37 (Filtertüchern) auf einer oder auf beiden Seiten, aus Deckeln 35 und Mänteln, aus dem Stutzen 42 für Suspensionszuleitung und aus dem Stutzen 43 für den Abfluss des eingedickten Filterkuchens.
Die Einrichtung arbeitet folgendermassen:
Die zu filtrierende Suspension wird durch den Stutzen 42 zugeführt, geht sukzessiv durch die Spalten zwischen den hohlen Platten 36 und hohlen Filterkörpern 4 durch, wobei das Filtrat durch die Filterschichten 37 eventuell 8 durchgeht, aber die festen Teilchen infolge des intensiven Rührens aus den Filterschichten entfernt werden und in die Suspension hineingemischt werden.
Dadurch wird die Suspension derart eingedickt, so dass sie bei der erforderlichen Konzentration der festen Teilchen aus dem Filter durch den Stutzen 43 in der Form des eingedickten Filterkuchens abgeführt wird.
Das Verfahren und die Einrichtung der dynamischen Filtration weist folgende Vorteile auf:
Die spezifische auf 1 m2 der Filterfläche entfallende Leistung ist mehrmals grösser als die Leistung aller bisher bekannten Einrichtungen für Druckfiltration, da diese kontinuierlich mit konstantem und kleinem spezifischen Widerstand der Filterschicht und mit minimaler Schicht des filtrierten Materials durchgeführt wird, wodurch die bei den diskontinuierlichen Einrichtungen gewöhnlich auftretenden Zeitverluste entfallen.
Die Einrichtung ist einfach, so dass die auf 1 m2 der Fläche eventuell auf die Einheit der Menge des filtrierten Materials entfallenden Investitionskosten wesentlich niedriger sind als bei den bekannten Einrichtungen.
Zum Durchwaschen ist mit Rücksicht auf das Gegenstromsystem nur eine kleine Menge von Waschflüssigkeit notwendig, die die Einrichtung im vollgesättigten Zustand verlässt.
Die für den Betrieb notwendige Zusatzeinrichtung ist minimal und besteht aus den Dosierpumpen. Die notwendigen Vorratsgefässe von grossem Inhalt entfallen.