DE102005016754B4

DE102005016754B4 - Verfahren zum Entwässern von Substanzen

Info

Publication number: DE102005016754B4
Application number: DE102005016754A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Rosenberger Stefan; Dipl.-Ing. Hesse Klaus
Original assignee: NIS Ingenieur GmbH
Current assignee: NIS Ingenieur GmbH
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2025-04-12
Also published as: DE102005016754A1

Abstract

Verfahren zum Entwässern von einer oder mehreren feststoffhaltigen Substanzen wie Kugelharzen, Pulverharzen, Filterhilfsmitteln, Filterschlämmen, Abrasivmitteln und/oder Schlämmen, wobei die Substanz in Form einer Suspension in einen über einen Deckel verschließbaren Behälter gefüllt und über ein in dem Behälter angeordnetes Filter Flüssigkeit über ein Saugrohr abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Filter eine Filterlanze mit dem im Bodenbereich des Behälters eine Ansaugöffnung aufweisenden unter Bildung eines Ringspalts von einem Filtermedium umgebenen Saugrohr verwendet wird, dass die Filterlanze in dem Behälter vertikal oder weitgehend vertikal angeordnet wird und dass das Saugrohr mit Unterdruck beaufschlagt wird und zwischen Außen- und Innenseite des eine Hohlzylindergeometrie aufweisenden Filtermediums eine Druckdifferenz Δp mit Δp ≤ 800 mbar bei einer Porenweite W des Filtermediums mit 5 μm ≤ W ≤ 50 μm eingestellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entwässern von einer oder mehreren feststoffhaltigen Substanzen wie Kugelharzen, Pulverharzen, Filterhilfsmitteln oder Schlämmen, wobei die Substanz in einen über einen Deckel verschließbaren Behälter gefallt und über ein in dem Behälter angeordnetes Filter Flüssigkeit über ein Saugrohr abgesaugt wird.
In kerntechnischen Anlagen fallen während des Betriebs diverser Wasseraufbereitungen, wie zum Beispiel Primärkreisreinigung, Kondensatreinigung oder Abwasserreinigung, bei Reinigungsarbeiten zum Beispiel des Brennelementbeckens, von Sümpfen oder bei einer Dekontamination oder auch bei Um- oder Abbauarbeiten Feststoffe an, die entsorgt werden müssen. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um Kugelharze, Pulverharze, Filterhilfsmittel, Aktivkohle, Filtersand, Zeolite, Abrasivmittel, Sägeschlämme oder andere Schlämme, die grundsätzlich radioaktiv beladen sind.
Um den Entsorgungskriterien der Zwischen- und Endlager zu genügen, müssen diese entsprechend der geltenden Lagerbedingungen mit weniger als 1% freies Wasser in dem Zwischen- bzw. Endlagergebinde (Behälter) konditioniert sein. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es anzustreben, dass die Behälter nahezu vollständig mit den entwässerten Feststoffen befüllt werden.
Während die Entwässerung von relativ groben Feststoffen wie zum Beispiel Kugelharzen oder Abrasivmitteln über eine mechanische Absaugung über einen Filterkorb möglich ist, müssen feinere Feststoffe wie Filterhilfsmittel oder Schlämme thermisch entwässert werden.
Es ist gängige Praxis, dass nicht manuell handhabbare Rückstände zur Entwässerung über Zwischenbehälter in Endlagerbehälter gefüllt werden. Dabei ist zu beachten, dass im Regelfall der Endlagerbehälter bei höher aktiven Abfällen nur wenige Öffnungen – häufig nur drei Öffnungen - mit Durchmessern von ca. 60 mm aufweist. Dabei befinden sich die Öffnungen auf einem engen Teilkreis im Zentrum des den Endlagerbehälter verschließenden Deckels. In der Praxis gelangen aber auch Endlagenbehälter mit größeren Öffnungen zum Einsatz.
Üblicherweise erfolgt die Befüllung der Behälter chargenweise, indem eine Feststoffe enthaltende Suspension über eine Befüllöffnung eindosiert, das Transportwasser entfernt und sodann in das frei gewordene Volumen erneut Suspension eingefüllt wird.
Um hohe Füllgrade in dem Behälter (Endlagergebinde) zu erreichen, sind häufige Wiederholungen der immer kleiner werdenden Chargenvolumina erforderlich. Typische und wirtschaftlich mit vertretbarem Aufwand erzielbare Füllgrade liegen bei 80%–90% des Gebindes (Behälter).
Zur Entwässerung von Kugelharzen und anderen Abfällen, also Substanzen mit einer relativ großen Feststoffgröße ist es bekannt, in einer Senke am Boden des Behälters einen Filterkasten mit Absaugrohr einzubauen, der über das Absaugrohr durch Unterdruck abgesaugt werden kann. Der Filterkasten, d. h. das Filter ist horizontal über Abstandshalter zum Boden beabstandet angeordnet und hat die Funktion, Feststoffpartikel zurückzuhalten. Als Filter kommen Kantenspaltfilter in Frage, bei denen es sich um ein reines Oberflächenfilter (Siebeffekt) handelt. Andere Ausgestaltungen von Filtern sehen ein poröses, gesintertes Rohr zur Entwässerung vor.
Mit entsprechenden Verfahren lassen sich radioaktiv beladene Feststoffe (Substanzen) entwässern, die eine gravimetrische Drainage des Wassers erlauben, also genügend Poren bzw. Lückenvolumen aufweisen. Typische Vertreter entsprechender Feststoffpartikel sind Kugelharze oder andere Substanzen mit Feststoffgrößen, bei denen die Partikel zum Beispiel größer als 0,5 mm sind.
Beladene Feststoffe wie zum Beispiel Filterhilfsmittel oder andere Schlämme mit kleineren Partikelgrößen und geringeren Lückenvolumina zwischen den Feststoffpartikeln können auf diese Weise nicht entwässert werden, da in den Poren befindliches freies Wasser nicht oder nur sehr langsam gravimetrisch zum Boden des Behälters fließt.
Entsprechende Substanzen bzw. Feststoffschüttungen mit nahezu ausschließlich sehr feinen Partikeln, wie diese bei Filterhilfsmitteln oder Seilsägeschlämmen anfallen und Partikelgrößen sehr viel kleiner als 0,5 mm aufweisen, können mit dem zuvor geschilderten Verfahren aufgrund des Zusetzens des Filters sowie der entstehenden hohen Druckunterschiede im Filterkuchen nicht bis zu den Entsorgungskriterien entwässert werden, d. h., dass das freie Wasser nicht unter 1% liegt.
Aufgrund der fehlenden Möglichkeit, entsprechende Substanzen mechanisch zu entwässern, können diese Feststoffe nur durch thermische Trocknung endlagergerecht entsorgt werden. So ist zum Beispiel die Trocknung außerhalb des Endlagergebindes möglich, um sodann dieses mit einem trockenen Produkt zu befüllen. Allerdings zeigt diese Verfahrensweise folgenden Nachteil:

– Schüttvolumen,
– Hantierung der Trockenstoffe (Dosis, Aerosolbildung, Kontamination),
– Kosten für Trockner und Hantierungsgeräte.

Alternativ wurde versucht, Filterhilfsmittel durch chargenweises Dosieren abzufüllen und mittels eines Fasstrockners das Wasser zu entfernen. Die erreichten Füllgrade betrugen ca. 30%. Daher sind die entsprechenden Maßnahmen zeitlich, technisch und wirtschaftlich aufwendig und daher wenig sinnvoll.
Im Fall von Fasstrocknern findet zunächst ein sehr langsamer und somit teurer und zeitaufwendiger Trocknungsvorgang statt. Ursächlich hierfür sind die Aufheizzeiten des Endlagerbehälterwerkstoffs von acht Stunden und mehr, da Endlagerbehälter üblicherweise aus globularem Grauguss bestehen und Wandstärken von 12–15 cm aufweisen. Sodann sind der Wärmeübergang bzw. -transport in den Feststoff, Diffusion des Wasserdampfes durch die Feststoffmatrix, das Fehlens eines Transportmediums für Wasserdampf, Abkühlung des Gebindes über acht und mehr Stunden zu berücksichtigen, um mit den Behältern nach der Konditionierung wieder hantieren zu können.
Daher ist kein technisch relevantes und wirtschaftliches Verfahren bekannt, welches effizient Schlämme und andere Feststoffe als Substanzen mit hohem Feinanteil endlagergerecht konditionieren kann.
Aus der DE-A-41 19 154 ist eine Vorrichtung zum Behandeln von Abwasser bekannt. Dabei wird das Abwasser zunächst einer Schlammfangkammer zugeführt, um von dieser in eine nachgeschaltete Filterkammer eingeleitet zu werden. Die Filterkammer weist einen Filterkasten auf, in dem vertikal verlaufende Rohre angeordnet sind, über die zum einen Schlammteile abgesaugt werden und zum anderen Filtermaterial im Filterkasten mit Heißwasser oder Druckluft rückgespült wird.
Die DE 32 00 331 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anlage zur Behandlung von feuchten oder nassen radioaktiven Abfallstoffen, wobei diese, gegebenenfalls mit einem Verfestigungsmittel, in einen Transport- oder Lagerbehälter dosiert werden, wobei dieser an eine Unterdruckquelle angeschlossen und beheizt wird, wodurch die Abfallstoffe unter Unterdruck getrocknet werden.
Aus der DE 34 15 606 A1 ist eine Filtereinrichtung zur Behandlung feststoffhaltiger, radioaktiver Abwässer bekannt. Die Filtriereinrichtung befindet sich in einem zylindrischen Fass mit Deckel. Ein perforiertes Rohr ragt zentrisch bis zum Boden hinein und ist mit einem Filtratüberlaufrohr umgeben, wobei über das perforierte Rohr ein Filtereinsatz geschoben ist, der mit einer Bodenplatte versehen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein effizientes und wirtschaftliches Entwässern von feststoffhaltigen Substanzen möglich ist, um Lagerbedingungen zu erzielen, bei denen der Anteil des freien Wassers weniger als 1% beträgt. Auch soll eine optimale Raumausnutzung der Behälter, also der Zwischen- bzw. Endlagergebinde möglich sein.
Ein Lösungsvorschlag sieht im Wesentlichen vor, dass als Filter eine Filterlanze mit dem im Bodenbereich des Behälters eine Ansaugöffnung aufweisenden unter Bildung eines Ringspalts von einem Filtermedium umgebenen Saugrohr verwendet wird, dass die Filterlanze in dem Behälter vertikal oder weitgehend vertikal angeordnet wird und dass das Saugrohr mit Unterdruck beaufschlagt wird und zwischen Außen- und Innenseite des eine Hohlzylindergeometrie aufweisenden Filtermediums eine Druckdifferenz Δp mit Δp ≤ 800 mbar bei einer Porenweite W des Filtermediums mit 5 μm ≤ W ≤ 50 μm eingestellt wird.
Insbesondere wird der Unterdruck derart eingestellt, dass die Druckdifferenz 100 mbar ≤ Δp ≤ 500 mbar bei einer Porenweite W des Filtermediums von in etwa 10 μm beträgt. Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass der Behälter über ein in dem Behälterdeckel vorhandenes Ventil wie Reduzierventil beim Absaugen der Flüssigkeit belüftet wird.
Abweichend vom bekannten Stand der Technik, der horizontale, flach über dem Boden des Behälters liegende Flächenfilter vorsieht, wird eine vertikal verlaufende Filterlanze verwendet, die vorzugsweise entlang der Mittelachse, also zentrisch im Behälter verläuft. Die Filterlanze ist mit einem Tiefenbettfilter ausgestattet. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, anstelle eines einzigen Tiefenbettfilters mehrere vorzugsweise auf einem oder mehreren zur Mittelachse des Behälters konzentrisch verlaufenden Kreisen angeordnete Filterlanzen zu verwenden, wobei eine Beabstandung zwischen den Filterlanzen und zu der Innenwandung des Behälters derart verläuft, dass die in dem Behälter gravimetrisch abgeschiedenen Feststoffe gleichmäßig entwässert werden.
Die Filterlanze besteht erwähntermaßen aus einem Saugrohr, das bodenseitig eine Fußplatte aufweist und im unteren Bereich direkt oberhalb der Fußplatte als durchbrochene Krone ausgebildet ist, d. h. Durchbrüche wie Schlitze oder Bohrungen aufweist, um Flüssigkeit absaugen zu können. Die Fußplatte ist dabei gegenüber dem insbesondere aus mehreren Vlieslagen bestehenden Filtermedium abgedichtet, so dass ausschließlich Flüssigkeit abgesaugt werden kann, die über den Ringspalt strömt.
Sobald der Behälter im erforderlichen Umfang mit Feststoffen gefüllt ist, wird das Saugrohr mit Unterdruck beaufschlagt. Hierdurch wird Wasser durch das Filtermedium in den Ringspalt gesaugt, um sodann zum Bodenbereich zu fließen und über das Saugrohr abgesaugt zu werden.
Bei dem Aufbau des Unterdrucks, also der Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des hohlzylinderförmigen Filtermediums ist darauf zu achten, dass eine Staffelung derart erfolgt, dass der Unterdruck langsam gesteigert wird, um zu Beginn der Entwässerung eine zu hohe Druckdifferenz zu vermeiden. Durch diese Maßnahme werden in dem beim Befüllen des Endlagerbehälters um den Tiefenbettfilter quasi angeschwemmten Filterkuchen feine Kapillaren gebildet. Hierdurch wird gleichzeitig vermieden, dass mit dem zu entfernenden Wasser zu hohe Anteile an Feinanteilen aus dem Feststoff mitgerissen werden, die gegebenenfalls vorzeitig das Filter zusetzen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre wird das Filterelement nicht im klassischen Sinne eingesetzt. Klassisch wird eine Suspension zum Filter gespült und darin enthaltene Feinanteile setzen das Filtermedium mit der Zeit nach und nach über den sich ausbildenden Filterkuchen zu.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre wird der Filterkuchen, d. h. die Feststoffe unabhängig von dem Filter angeschwemmt, so dass das Filter während der Anschwemmung nicht beladen wird.
Nach der Anschwemmung der Feststoffe kann sodann Lücken- oder Kapillarwasser vorsichtig abgesaugt werden, und zwar aufgrund der geringen Druckdifferenz, so dass das Wasser aus den Kapillaren abfließt, ohne größere Mengen an Feststoffpartikeln mitzureißen. Vielmehr werden die Feststoffpartikel wie in einem Tiefenfilter in den angeschwemmten Feststoffen durch Adhäsion, Koagulation und andere Kräfte zurückgehalten und nahezu nur Flüssigkeit zum und durch das Tiefenbettfilter transportiert.
Hierdurch bedingt entsteht ein mit Kapillaren durchsetztes Feststoffgefüge, wodurch effizient freies Wasser abgesaugt wird, ohne dass sich das Filterelement vorzeitig zusetzen kann.
Durch das Eigengewicht des Feststoffes wird der Entwässerungsvorgang zusätzlich unterstützt und freies Wasser in die Kapillaren gedrückt, von denen aus in zuvor beschriebener Art das Wasser abgesaugt werden kann.
Dabei hat sich herausgestellt, dass die Entwässerung so effizient ist, dass unter Berücksichtigung des Endlagerkriteriums kein freies Wasser mehr vorhanden ist, also der Wasseranteil weniger als 1% beträgt. Aufgrund des Einstellens der Druckdifferenz ergibt sich des Weiteren der Vorteil, dass das Filterelement nicht durchbricht. Unter Durchbrechen wird dabei verstanden, dass bei Absenkung des Suspensionsspiegels oberhalb der Suspensionsschicht eine Kurzschlussströmung von Luft durch das Filtermedium hindurch entsteht.
Stellt man die Druckdifferenz auf die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Werte ein und wählt einen Tiefenfilter mit einer Porenweite von vorzugsweise zwischen 5 μ und 50 μm, insbesondere im Bereich von 10 μm, so kann aufgrund der Adhäsionskräfte im Tiefenbettfilter ein Durchbruch bei Absaugen der Flüssigkeit verhindert werden.
Aufgrund dieser Besonderheit besteht auch die Möglichkeit, dass über das Tiefenfilter freies Wasser über dem sedimentierten Feststoff entfernt wird, das aufgrund der hohen Packungsdichte des Feststoffes nicht oder nur langsam zum Boden fließen würde.
Aufgrund dieser Erkenntnisse kann der Nachweis geführt werden, dass Wasser, das über Kapillaren und Lücken zu der Filterlanze hinläuft, dorthin gesaugt bzw. durch Feststoffgewicht gedrückt wird und durch Kapillareffekte im Tiefenbettfilter abgesaugt werden kann.
Nach einem eigenerfinderischen Aspekt wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe des Anschwemmens des Filterkuchens auch dadurch gelöst, dass zur Erzielung einer optimalen Befüllung des Endlagerbehälters die Suspension nicht chargenweise mit immer kleineren Dosiervolumina erfolgt, sondern quasi kontinuierlich mittels Durchschleifen der Suspension durch den Endlagerbehälter. Das Durchschleifen kann dabei durch Pumpen oder Saugen erfolgen.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die Substanzen in Form einer Suspension dem Behälter zugeführt werden derart, dass über eine erste Öffnung des Deckels Suspension einströmt und über eine zweite Öffnung abläuft, wobei Strömungsgeschwindigkeit V der Suspension in dem Behälter derart eingestellt wird, dass Feststoffpartikel aus der Suspension gravimetrisch abgeschieden werden. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Füllgrad des Behälters mit Feststoffen reduziert. Insbesondere ist vorgesehen, dass bei Beginn der Befüllung des Behälters mit sedimentierten Feststoffen der Volumenstrom V .₁ eingestellt wird auf 4,0 m³/h ≤ V .₁ ≤ 6,0 m³/h. Zum Ende der Befüllung des Behälters mit sedimentierten Feststoffen sollte der Volumenstrom auf einen Wert V .₂ mit 0,5 m³/h ≤ V .₂ ≤ 2,0 m³/h eingestellt werden.
Hierdurch wird ein Strömungsfeld derart erzeugt, dass konzentrisch von der Behälterwand ausgehend ein Totwassergebiet entsteht, das Gravitation und Energie der zu sedimentierenden Teilchen ≥ Transportenergie der Flüssigkeit ist, wodurch eine Sedimentation ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungsfeld zwischen Befüllöffnung und Ablauföffnung so gewählt, dass die automatisch durch Gravitation einsetzende senkrecht zum Behälterboden stattfindende Trennung der Feststoffteilchen auch für möglichst kleine Durchmesser ermöglicht wird.
Durch die Ausbildung des Strömungsfeldes der Suspension in dem Behälter durch Sekundärströmungen zwischen Ein- und Austritt, Energie der Feststoffteilchen, Massenträgheitskräfte und Einwirkung der Gravitation erfolgt auch eine Verwirbelung der Feststoffteilchen derart, dass im erforderlichen Umfang eine Abscheidung in allen Bereichen des Behälters über seinen Querschnitt erfolgt.
Aufgrund der Veränderung des Volumenstromes ist durch Verschiebung und Vergrößerung des Totwassergebiets ein Befüllen des Endlagerbehälters bis zur Unterkante des Deckels außerhalb des Bereichs der Ein- und Ausströmöffnungen möglich. Da mit der Variation des Volumenstroms auch die Strömungsgeschwindigkeiten variiert werden, hat eine entsprechende Einstellung zu erfolgen, um den Behälter, d. h. Gebinde zu befüllen. Die Wahl der Volumenströme ist auch von der Gebindegeometrie beeinflusst.
Hierdurch bedingt werden eine Hügelbildung (Stalakmit) und damit verbundene Totvolumina im Behälter unterbunden.
Durch die erfindungsgemäßen Lehren, d. h. das Befülverfahren zur Ausbildung des Filterkuchens bzw. dem Einsatz einer Filterlanze zum Absaugen von Wasser, ergeben sich Vorteile und Einsatzmöglichkeiten wie folgt:

– Eine einfache und nahezu vollständige Befüllung von Gebinden sowie die Entwässerung von Substanzen mit hohem Feinanteil, insbesondere Pulverharze, Filterschlämme, Abfälle sowie aus dem Rückbau kerntechnischer Anlagen wie Seilsägeschlämmen und Abrasivmittel mit hohem Feinanteil wird möglich,
– Kugelharze in Korngrößen von zum Beispiel 0,5 mm bis 1,0 mm können mit Filterhilfsmitteln mit Korngrößen von zum Beispiel 1 μm bis 10 μm vor der Behälterbefüllung vermischt und die entsprechende Mischung in dem Behälter eingespült werden. Dabei werden die Lückenvolumina der Kugelharze von den feineren Filterhilfsmitteln ausgefüllt. Hierdurch reduziert sich die Anzahl an erforderlichen Endlagerbehältern theoretisch um bis zu 30% des Kugelharzvolumens.
– Sofern freies Wasser nicht durch mechanische Entwässerung entfernt werden soll bzw. kann, wie zum Beispiel Porenwasser der Kugelharze, besteht die Möglichkeit, eine ergänzende Entwässerung mittels eines thermischen Vakuumprozesses bekannter Art durchzuführen. In diesem Fall wird der Behälter nach der mechanischen Entwässerung mittels der Filterlanze über eine Fassheizung beheizt. Gleichzeitig wird in dem Behälter ein Druck von zum Beispiel 100 mbar (abs) angelegt. Bei Siedetemperaturen werden sodann die Brüden über einen Kondensator geleitet und kondensiert.
– Erfindungsgemäß kann des Weiteren eine thermisch-mechanische Kombination zur Entwässerung eingesetzt werden. Während des Aufheizvorganges einer Fassheizung wird bereits die erfindungsgemäße und zuvor beschriebene mechanische Entwässerung über die Filterlanze durchgeführt. Bei einer diesbezüglichen Maßnahme wird die Zeit während der Aufheizzeit bis zu Beginn des thermischen Austrags benutzt, um mechanisch Wasser zu entfernen. Hierdurch wird der spezifische Durchsatz und somit die Wirtschaftlichkeit erhöht.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Behälters während des Befüllens,
2 ein der 1 entsprechender Behälter mit Filterlanze,
3 ein Detail der Darstellung gemäß 2,
4 eine Prinzipdarstellung des Behälters gemäß 2,
5 einen Druckdifferenzverlauf einer Filterlanze und
6 eine Prinzipdarstellung eines Strömungsfeldes einer Suspension.
In 1 ist rein prinzipiell ein Behälter 10 dargestellt, der über einen Deckel 12 verschließbar ist. Der Behälter 10 kann einen Innendurchmesser von 85 cm und eine Höhe von 120 cm aufweisen. Als Material des Behälters 10 kommt globularer Grauguss in Frage, wobei die Wandstärke im Bereich zwischen 12 und 15 cm liegen kann, um nur beispielhaft Zahlen zu nennen.
Um wasserhaltige Substanzen wie Kugelharze und andere Abfälle mit einer relativ großen Feststoffgröße oder feinere Schlämme wie zum Beispiel Filterhilfsmittel zu entwässern, damit sich den geltenden Lagerbedingungen entsprechend ein Restwasser von weniger als 1% freies Wasser ergibt, erfolgt ein quasi kontinuierliches Befüllen des Behälters 10 mit Suspension der wasserhaltigen Substanzen und nicht das nach dem Stand der Technik bekannte chargenweise Befüllen mit immer kleiner werdenden Dosiervolumina. Die in der Suspension vorliegenden Feststoffe werden über eine erste Öffnung 14 dem Behälter 10 zugeführt und über eine zweite Behälteröffnung 16 entnommen. Die Förderung der Suspension durch den Behälter 10 kann durch Pumpen oder Saugen erfolgen. Anstelle der Öffnungen 14, 16 kann anstelle oder in dem Deckel auch ein Adapter eingesetzt sein, der entsprechende Öffnungen aufweist.
Das Durchschleifen der Suspension, also das Einbringen der Suspension über die Öffnung 14 und das Abziehen von Suspension über die zweite Öffnung 16 erfolgt derart, dass während des Durchströmens des Behälters Feststoffe abgeschieden werden können. Ursächlich hierfür ist die Ausbildung des Strömungsfeldes der Suspension in dem Behälter 10 durch Sekundärströmungen zwischen Ein- und Austrittsöffnung 14, 16, Energie der Feststoffteilchen, Massenträgheitskräfte und Einwirkung der Gravitation, wodurch eine Verwirbelung der Feststoffteilchen derart erfolgt, dass im erforderlichen Umfang eine Abscheidung in allen Bereichen des Behälters 10 über seinen Querschnitt erfolgt. Hierzu werden die Strömungsgeschwindigkeiten im teilweise horizontal verlaufenden Strömungsfeld zwischen der Befüllöffnung 14 und der Entnahmeöffnung 16 so gewählt, dass die Trennung der Feststoffteilchen auch für möglichst kleine Durchmesser ermöglicht wird.
Ein entsprechendes Strömungsfeld ist prinzipiell der 6 zu entnehmen. Man erkennt die sich ausbildende Strömung der Suspension zwischen der Einfüllöffnung 14 und der Entnahmeöffnung 16, wobei die Suspension bzw. die in dieser enthaltenen Feststoffpartikel derart durch den Behälter 10 geführt und verwirbelt werden, dass ein Transport in alle Bereich erfolgt. Um dies gezielt zu ermöglichen und um gleichzeitig eine Krater- und Hügelbildung und damit das Auftreten von Totvolumina zu vermeiden, erfolgt zu Beginn der Befüllung des Behälters 10 ein höherer Durchsatz der Suspension und damit eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als zum Ende der Befüllung hin. Beginn und Ende der Befüllung bedeutet dabei, dass zu Beginn nur ein Teil an sowie größere Feststoffen 18 abgeschieden ist und zum Ende hin der Behälter nahezu mit Feststoffen 18 gefüllt ist. Zu Beginn der Befüllung sollte der Volumenstrom – insbesondere auch aus wirtschaftlichen Gründen – zwischen 4,0 m³/h und 6,0 m³/h liegen und zum Ende der Befüllung auf 0,5 m³/h–2,0 m³/h reduziert sein, um insbesondere kleinere Partikel abzuscheiden. Die Strömungsgeschwindigkeiten reduzieren sich proportional.
Unter Einbehaltung dieser Parameter zeigt sich, dass auch dann, wenn die Öffnung 14, 16 im begrenzten Zentrum des Deckels 12 verlaufen – beispielhaft ist ein Abstand von 20 cm bei einem Innendurchmesser des Behälters 10 von 85 cm zu nennen –, eine nahezu ebene Oberfläche der abgeschiedenen Feststoffe erreichbar ist.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Befüllungen von Behältern haben ergeben, dass Feststofffüllgrade bis nahezu 100% möglich werden. Feststoffe 18 können bis zur Innenfläche des Behälters 12 eingebracht werden, wobei einzig und allein im Bereich der Einfüll- und Entnahmeöffnung 14, 16 ein kleiner Ausspültrichter 20 auftritt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme des Durchschleifens der Suspension bei den zu Beginn und am Ende des Füllvorgangs einzustellenden unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten ergeben sich ebene Oberflächen und durchschnittliche Füllgrade von 97% und mehr.
Durch Setzvorgänge und durch die nachstehend anhand der 2–5 zu beschreibenden Entwässerung kann sich die Oberfläche um ca. 1–3% absetzen. Dabei ist der Grad der Absenkung abhängig von dem Feststoff sowie dem Zeitraum, der dem Feststoff zur Eigenverdichtung/-setzung zur Verfügung steht.
Um den Feststoff 18 weiter zu entwässern, um also den Lagerbedingungen zu genügen (freies Wasser < 1%), wird entsprechend der Darstellung der 2 und 4 in dem Behälter 10 eine Filterlanze 22 mit Tiefenbettfilter zentrisch in dem Behälter 10 und vertikal verlaufend angeordnet. In Abhängigkeit von dem zu erzielenden Grad der Entwässerung bzw. dem Volumen bzw. der Querschnittsfläche des Behälters 10 können auch mehrere Filterlanzen 22 vertikal ausgerichtet angeordnet werden, die insbesondere auf einem oder mehreren konzentrisch zur Mittelachse des Behälters 10 verlaufenden Kreisen angeordnet sind.
Die Filterlanze 22 besteht aus einem Saugrohr 24, das bodenseitig mit einer Fußplatte 26 verbunden ist. Im fußplattenseitigen Bereich des Saugrohrs 24 sind Durchbrechungen wie Schlitze 28 vorgesehen, so dass sich eine durchbrochene Krone bildet.
Typische Abmessungen der Filterlanze 22 belaufen sich vorzugsweise auf 65 mm im Durchmesser bei einer Länge von 1000 mm.
Das Saugrohr 24 ist konzentrisch von einem einen Hohlzylinder bildenden Tiefenbettfilter 30 bestehend aus mehreren Vlieslagen umgeben, wobei sich zwischen dem Tiefenbettfilter 30 und dem Saugrohr 24 ein Ringspalt 32 ausbildet. Kopfseitig ist das Tiefenbettfilter 30 von einer Kopfplatte 39 abgedeckt. Die Fußplatte 26 ist ebenfalls gegenüber dem Tiefenbettfilter 30 abgedichtet.
Nach Befüllen des Behälters 10 vorzugsweise in zuvor beschriebener Weise wird an eine in dem Deckel 12 verlaufende und mit dem Saugrohr 24 verbundene Absaugöffnung 34 Unterdruck angelegt. Der Unterdruck setzt sich bis in den Ringspalt 32 fort, wodurch durch das Filtermedium 30 Wasser in den Ringspalt 32 hineingesaugt wird, das sodann zur Bodenplatte 26, also zur Krone hin fließt und schließlich über das Saugrohr 24 abgesaugt werden kann.
Um das Absaugen des Wassers sicherzustellen, muss darauf geachtet werden, dass die Druckdifferenz zwischen Innenseite 36 des Filtermediums 30 und Außenseite 38 des Filtermediums 30 in Abhängigkeit von der Höhe der Filterlanze 22 auf Werte zwischen vorzugsweise 100 mbar und 600 mbar eingestellt wird, wobei die Druckdifferenz auch von der Porenweite des Filtermediums 30 abhängig ist. Die zuvor angegebenen Werte können ein Filtermedium 30 mit einer Porenweite im Bereich von in etwa 10 μm betreffen.
Durch die diesbezüglichen Maßnahmen kann im erforderlichen Umfang Wasser abgesaugt werden, ohne dass sich ein Filterkuchen derart aufbaut, dass es zu einem unerwünschten Beladen des Filtermediums 30 und damit quasi Abblocken bzw. Abdichten führt. Des Weiteren ist die Druckdifferenz langsam zu steigern, wie dies anhand der 5 verdeutlicht wird. So ist in Abhängigkeit der Absaugzeit die Druckdifferenz zwischen Innenseite 36 und Außenseite 38 des Filtermediums 30 zu steigern, um im erforderlichen Umfang Flüssigkeit abzusaugen. Dabei haben Messungen ergeben, dass zu Beginn des Absaugens 40 – 100 l Wasser pro Stunde und zum Ende hin zu 5 l Wasser pro Stunde abgesaugt werden können.
Durch die Einstellung der Druckdifferenzen ergibt sich des Weiteren der Vorteil, dass das Filtermedium 30 nicht durchbricht. Dies soll prinzipiell anhand der 4 verdeutlicht werden, in der entsprechend zuvor erfolgter Erläuterungen für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Zu Beginn der mechanischen Entwässerung, also des Absaugens der durch den Ringspalt 32 strömenden Flüssigkeit über das Saugrohr 24 und die Absaugöffnung 34, verläuft der Suspensionsspiegel auf der Höhe der Linie 40. So kann im erforderlichen Umfang Flüssigkeit abgesaugt werden. Fällt der Flüssigkeitsspiegel, so ist das Tiefenbettfilter 30 auch oberhalb mit einem Filterkuchen bedeckt, ohne dass die Gefahr eines Durchbruchs erfolgt. Beim weiteren Absenken des Flüssigkeitsspiegels (Linie 44) ist der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 44 verlaufende Bereich 46 des Filtermediums 30 nicht mehr von Flüssigkeit bedeckt. Ungeachtet dessen wird jedoch ein Durchbruch vermieden, wenn die Druckdifferenz zwischen der Innenseite 36 und der Außenseite 38 des Filtermediums 30 auf Werte insbesondere zwischen 50 mbar und 500 mbar, vorzugsweise im Bereich von 300 mbar in dem Abschnitt 46, also im Kopfbereich der Filterlanze 22 eingestellt wird.
Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass Wassertropfen 50 durch insbesondere Adhäsion, gegebenenfalls auch geringe Anteile von angeschwemmten Feststoffen ein Verschließen des Filtermediums 30, d. h. dessen Vlies 48 in einem Umfang bewirken, dass die an der Außenseite 38 anstehende Luft das Filtermedium 30, d. h. den Vlies 48 nicht durchsetzen kann, wodurch ein Durchbruch verhindert wird.
Während der mechanischen Entwässerung ist des Weiteren der Innenraum des Behälters 10 zu belüften. Hierzu ist im Deckel 12 oder einem entsprechenden Adapter ein Reduzierventil 51 vorgesehen.
Über eine weitere Öffnung 52 können dann, wenn neben der mechanischen Entwässerung zusätzlich ein thermischer Vakuumprozess zur weiteren Entwässerung der Feststoffe 18 durchgeführt werden soll, Brüden abgezogen und über einen nicht dargestellten Kondensator geleitet und kondensiert werden.

Claims

Verfahren zum Entwässern von einer oder mehreren feststoffhaltigen Substanzen wie Kugelharzen, Pulverharzen, Filterhilfsmitteln, Filterschlämmen, Abrasivmitteln und/oder Schlämmen, wobei die Substanz in Form einer Suspension in einen über einen Deckel verschließbaren Behälter gefüllt und über ein in dem Behälter angeordnetes Filter Flüssigkeit über ein Saugrohr abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Filter eine Filterlanze mit dem im Bodenbereich des Behälters eine Ansaugöffnung aufweisenden unter Bildung eines Ringspalts von einem Filtermedium umgebenen Saugrohr verwendet wird, dass die Filterlanze in dem Behälter vertikal oder weitgehend vertikal angeordnet wird und dass das Saugrohr mit Unterdruck beaufschlagt wird und zwischen Außen- und Innenseite des eine Hohlzylindergeometrie aufweisenden Filtermediums eine Druckdifferenz Δp mit Δp ≤ 800 mbar bei einer Porenweite W des Filtermediums mit 5 μm ≤ W ≤ 50 μm eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter mehrere Filterlanzen vertikal oder im Wesentlichen vertikal verlaufend angeordnet werden, wobei die Filterlanzen vorzugsweise auf einen oder mehreren konzentrisch zur Mittelachse des Behälters verlaufenden Kreisen gleichmäßig beabstandet angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz 100 mbar ≤ Δp ≤ 600 mbar bei einer Porenweite W von in etwa 10 μm beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Filterlanze in Abhängigkeit von der Menge abgesaugter Flüssigkeit erhöht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Filtermediums stufenförmig erhöht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter über ein in dem Behälterdeckel vorhandenes Ventil wie Reduzierventil beim Absaugen der Flüssigkeit belüftet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Absaugen der Flüssigkeit über die zumindest eine Filterlanze weitere Flüssigkeit aus dem Behälter durch einen thermischen Vakuumprozess entfernt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim thermischen Vakuumprozess der Behälterinnendruck auf einen Druck p (abs) von 50 mbar ≤ p (abs) ≤ 200 mbar, insbesondere p (abs) in etwa 100 mbar eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substanz ein Gemisch von Kugelharzpartikeln und den Freiraum zwischen den Kugelharzpartikeln ausfüllendes Filterhilfsmittel in den Behälter gefüllt und entwässert wird.
Verfahren nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine im Behälterdeckel vorhandene erste Öffnung Suspension in den Behälter einströmt und über eine zweite Öffnung aus dem Behälter abläuft, wobei die Suspension quasi-kontinuierlich durch den Behälter strömt und Volumenstrom V der durch den Behälter strömenden Suspension derart eingestellt wird, dass Feststoffpartikel aus der Suspension abgeschieden werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom in Abhängigkeit vom Füllgrad des Behälters reduziert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Befüllung des Behälters mit abgeschiedenen Feststoffen der Volumenstrom V .₁ auf 4,0 m³/h ≤ V .₁ ≤ 6,0 m³/h, insbesondere auf V .₁ in etwa 5 m³/h eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ende der Befüllung des Behälters mit abgeschiedenen Feststoffen der Volumenstrom V .₂ auf 0,5 m³/h ≤ V .₂ ≤ 2,0 m³/h, vorzugsweise auf in etwa 1,5 m³/h eingestellt wird.
Behälter zur Aufnahme von zumindest einer zu entwässernden Substanz wie Kugelharz, Pulverharz, Filterhilfsmittel und/oder Schlamm mit in dem Behälter angeordnetem Filter mit an einer Unterdruckquelle anschließbarem Saugrohr dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (10) eine Filterlanze (22) vertikal angeordnet ist, dass das unter Einhaltung eines Ringspalts (32) konzentrisch von einem Filtermedium (30) umgebene Saugrohr (24) mit einer Bodenplatte (26) verbunden ist, die gegenüber dem Filtermedium abgedichtet ist, dass das Saugrohr bodenplattenseitig Durchbrechungen (28) aufweist und dass das eine Hohlzylindergeometrie aufweisende Filtermedium gegenüber dem Saugrohr über eine Kopfplatte (39) abgedichtet ist.
Behälter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter mehrere Filterlanzen (22) vertikal ausgerichtet oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet angeordnet sind.
Behälter nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10) über ein Reduzierventil (50) mit der Atmosphäre verbunden ist.