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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Filterung von Suspensionen, insbesondere von wässrig suspendierten Zellstofffasern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Filterverfahren dienen bekanntlich zur Abtrennung von Feststoffen aus einer Suspension. Die dabei verwendeten Filterelemente halten an der Zulaufseite ihrer Filterflächen den größten Teil der Feststoffe zurück und lassen die Flüssigkeit, im Regelfall Wasser, als Filtrat passieren. Oft wird ein möglichst geringer Rest an Feststoffen im Filtrat angestrebt, was sich z. B. durch die getrennte Ableitung eines primären Trübfiltrat (kleine Menge) und eines sekundären Klarfiltrates (große Menge) erreichen lässt. Die zurückgehaltenen Feststoffe, oft als Filterkuchen bezeichnet, sollen einen möglichst geringen Wassergehalt aufweisen. Eine häufige Anwendung findet in der Zellstoff- und Papiererzeugung statt, wobei faserhaltige Suspensionen zu filtrieren sind. Die gebildeten Filtrate sind zur Wiederverwendung im Produktionsprozess sehr gut geeignet.
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Die typische Filtervorrichtung für das Verfahren ist das Scheibenfilter, dessen Filtertrog mehrere Kammern für in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Suspensionsströme aufweist. Das bietet die Möglichkeit, in einer einzigen Vorrichtung mehrere Suspensionsströme zu filtrieren, was Kosten und Platzbedarf senkt. Auf der anderen Seite wird der Betrieb einer solchen Maschine komplex und die Regelung schwieriger. Es besteht daher die Gefahr einer nicht optimalen Effektivität des Prozesses, was die erwähnten Einsparungen wieder zunichte machen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Filterung zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Filterung ökonomisch und gleichzeitig besonders effektiv durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Mit Hilfe der Erfindung können die Parameter für mehrere Filtrationsvorgänge in derselben Vorrichtung unabhängig voneinander beeinflusst werden. Es wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad, insbesondere für die Regelstrategie des Verfahrens geschaffen, wobei die Möglichkeit besteht, unterschiedliche Druckdifferenzen in derselben Maschine anzulegen.
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Wird z. B. die Rotationsgeschwindigkeit der Hohlwelle, auf der alle rotierenden Filterelemente befestigt sind, so geregelt, dass die eine (erste) Suspension optimal gefiltert wird, kann zur Optimierung der Filtration der anderen (zweiten) Suspension eine Änderung der Druckdifferenz vorgenommen werden, mit der das Filtrat der zweiten Suspension abgezogen wird. Auf diese Weise kann dem unterschiedlichen Entwässerungsverhalten und/oder dem unterschiedlichen Feststoffgehalt der verschiedenen Suspensionen Rechnung getragen werden. Es kann aber auch sein, dass unterschiedliche Trockengehalte der Filterkuchen und/oder unterschiedliche Filtrat-Reinheiten eingestellt werden sollen, was mit diesem Verfahren ebenfalls erreichbar ist.
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Die Erfindung wird erläutert an Hand von schematischen Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1: das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer nur skizzierten Filtervorrichtung;
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2: schematisch: ein Scheibenfilter mit Blick auf die Stirnseite;
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3: ein vereinfacht dargestelltes Regelschema zur Durchführung des Verfahrens;
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4: das Schema der 3, variiert und mit Verdünnungswasserzugabe erweitert.
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1 zeigt schematisch einen als Filtervorrichtung dienenden Scheibenfilter mit mehreren scheibenförmigen segmentierten (s. 2) Filterelementen 1 und 1'. die teilweise in einen mit Suspension S1 und S2 gefüllten Filtertrog 4 eintauchen. Der Filtertrog 4 ist durch eine Trennwand 14 in die Kammern 12 und 13 aufgeteilt, die jeweils durch die Pumpen 8 und 9 mit der Suspension S1 bzw. S2 gespeist werden. Statt wie hier ein geteilter Filtertrog 4 könnten auch zwei nebeneinander stehende Tröge verwendet werden. Bei diesem Beispiel tauchen fünf Filterelemente 1 in die Kammer 12 und drei Filterelemente 1' in die Kammer 13 ein. Je nach Anforderungen an das Verfahren können die Filterelemente auch anders den entsprechenden Kammern zugeteilt werden. Alle Filterelemente 1 und 1' sind auf einer waagerecht angeordneten rotierenden Hohlwelle 3 befestigt, aus der an beiden Enden die Filtrate F1 und F2 abgezogen werden, wozu bei diesem Beispiel die Pumpen 10 bzw. 11 vorgesehen sind. Auf diese Weise wird das Filtrat F1 aus der Suspension S1 der Kammer 12 gebildet und das Filtrat F2 aus der Suspension S2 der Kammer 13. Der Antrieb 7 versetzt die Hohlwelle in Rotation, wobei eine Rotationsgeschwindigkeit zwischen 0,5 und 1,5 Umdrehungen pro Minute üblich ist. Mit Vorteil sind die Rotationsgeschwindigkeit der Hohlwelle 3 und die Durchsätze der Pumpen 8, 9, 10 und/oder 11 in die Regelung des Filterprozesses integriert. Der überwiegende Anteil der Feststoffe wird an den Filterelementen 1 und 1' zurückgehalten, und bildet einen Filterkuchen, der als Dickstoff 5 und 6 aus der Filtervorrichtung abgeführt wird.
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Der Filtertrog 4 ist oben offen, arbeitet also mit Umgebungsdruck. Es gibt auch andere für das Verfahren geeignete Filtervorrichtungen, bei denen der Filtertrog geschlossen ist und unter Überdruck steht. Das ist zwar aufwändiger, ermöglicht aber größere Druckdifferenzen beim Filterprozess.
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In 2 ist der Scheibenfilter mit Blick auf die Stirnseite dargestellt und dadurch die Segmentierung der Filterelemente 1 erkennbar. Die einzelnen gegeneinander abgeteilten Segmente nehmen das Filtrat F1 auf und leiten es an ihrer radial inneren Seite in den Innenraum der Hohlwelle 3. Durch einen hier nicht gezeigten Steuerkopf wird eine hydraulische Verbindung zu den Segmenten, abhängig von ihrer jeweiligen Umdrehungsposition hergestellt. Dieses Beispiel zeigt auch die schon erwähnte Möglichkeit, ein primäres Trübfiltrat TF und ein Klarfiltrat KF zu bilden und getrennt abzuziehen. Dabei ist das Klarfiltrat KF ein wichtiges Produkt des Verfahrens, das zumeist zur Verdünnung an anderer Stelle vorgesehen ist. Das mengenmäßig weit geringere Trübfiltrat TF kann z. B. als Verdünnungswasser zurückgeführt und erneut dem Filterprozess unterzogen werden. Die Arbeitsweise von Scheibenfiltern ist bekannt, weshalb hier nicht weiter darauf eingegangen wird.
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Das Schema in 3 dient zur Erklärung und Erläuterung verschiedener vorteilhafter Regelstrategien bei der Durchführung des Verfahrens. Die verwendete Filtervorrichtung ist ein Scheibenfilter wie in 1. Von den Filterelementen sind exemplarisch ein Filterelement 1, das in die Kammer 12 eintaucht gezeichnet und ein Filterelement 1', das in die Kammer 13 eintaucht. Im Normalfall sind es insgesamt ca. 4 bis 35 Filterelemente. Die Kammer 12 ist mit einem Niveautransmitter 15 und die Kammer 13 mit einem Niveautransmitter 16 ausgestattet, die jeweils ihre Signale (Messwerte) 19 bzw. 20 dem Prozessleitsystem PLS zuleiten. Die Pumpen 8 und 9 für die Suspensionen S1 und S2 sowie die Pumpen 10 und 11 für die Filtrate F1 bzw. F2 werden bei diesem Beispiel durch Signale 17, 18, 21 und 22 gesteuert. Die Pumpen können drehzahlgeregelt oder mit einstellbaren Drosseln versehen sein. Außerdem wird der Antrieb 7 der Hohlwelle 3 durch Signal 23 gesteuert, um die Rotationsgeschwindigkeit zu beeinflussen. Oft werden an Stelle der die Filtrate F1 und F2 fördernden Pumpen 10 und 11 geodätische Fallstrecken über mehrere Meter Höhe verwendet (s. 4), bei der die Fallrohre in die Filtratbütten eintauchen.
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Einige mögliche Varianten zur Regelstrategie sind wie folgt:
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Variante 1:
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Die Mengenströme der Suspensionen S1 und S2 werden durch die Signale 17 und 18 auf zeitlich konstante Werte eingestellt. Die Pumpe 10 erzeugt den Unterdruck im Leitungssystem für das Filtrat F1, welcher relativ hoch eingestellt sein kann, um eine möglichst hohe Filtratmenge zu gewinnen. Signal 23 steuert den Antrieb 7 der Hohlwelle so, dass in der Kammer 12 das vom Signal 19 gemeldete Flüssigkeitsniveau im vorgeschriebenen Bereich liegt. Dabei senkt eine höhere Drehzahl das Flüssigkeitsniveau der Kammer 12 und umgekehrt. Diese Drehzahländerung wirkt sich natürlich auch auf das Flüssigkeitsniveau der Kammer 13 aus. Da hier aber andere Verhältnisse vorliegen können als in der Kammer 12, ist es von Vorteil, einen weiteren nur in Kammer 13 wirkenden Parameter einstellen zu können. Daher wird aus dem durch Signal 20 gemeldeten Flüssigkeitsstand der Kammer 13 ein Signal 21 gebildet, welches die Pumpe 10 für das Filtrat F2 so steuert, dass auch in der Kammer 13 das Flüssigkeitsniveau im vorgeschriebenen Bereich bleibt. Auf diese Weise lässt sich der Betrieb des Scheibenfilters einwandfrei automatisieren. Der Mengenstrom des Filtrates F1 aus der ersten Kammer 12 kann auf einen hohen Wert geregelt werden, um das Scheibenfilter maximal auszulasten. Es können aber auch weitere Anforderungen an den Prozess berücksichtigt werden, wie z. B. der Trockengehalt des Dickstoffes 5 oder die Qualität des hier nicht gezeigten Trübfiltrates TK (s. 2).
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Was hier zu den Filtraten F1 und F2 gesagt wurde, bezieht sich in der Regel auf die Klarfiltrate KF (s. 2). Es ist aber auch denkbar, die Regelvorgänge für den Unterdruck der Trübfiltrate TK vorzusehen, da sich auch deren Abzugsmenge auf die Flüssigkeitsniveaus in den Kammern auswirken kann.
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Variante 2:
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Variante 2 wird dahingehend abgewandelt, dass das Flüssigkeitsniveau der zweiten Kammer 13 durch Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Hohlwelle 3 geregelt wird, während Flüssigkeitsniveau der ersten Kammer 12 durch Steuerung der das Filtrat F1 abziehenden Pumpe 10 im vorgegebenen Bereich gehalten wird.
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Bei der Wahl, welche dieser beiden Varianten vorzuziehen ist, ist zu berücksichtigen, dass die Veränderungen der Parameter Unterdruck und Rotationsgeschwindigkeit unterschiedliche Auswirkungen auf das Filtrieren haben. So ist die Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit ein gängiges Mittel um eine wirksame Anpassung an sich ändernde Entwässerungsfähigkeit der Suspension vorzunehmen. Möglicherweise führt jedoch eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit zu vermehrtem und/oder feststoffreicherem Trübfiltrat, was unerwünscht sei kann. Der zur Filtratgewinnung angelegte Unterdruck wird mit Energieaufwand erkauft; eine Erhöhung kann also zu höheren Betriebskosten führen. Positiv ist, dass der Dickstoff einen höheren Trockengehalt erreichen kann. Allerdings ist bei schlechter entwässerbarer oder höherkonsistenter Suspension der Einfluss des Unterdruckes auf den Durchsatz geringer als der der Rotationsgeschwindigkeit der Hohlwelle.
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Variante 3:
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Ziel dieser Variante ist es, das Verfahren in jedem Falle optimal auf die Anforderungen einzustellen. Sie sieht daher vor, dass durch eine intelligente Regelung bei laufendem Betrieb der Anlage eine Auswahl getroffen wird, ob Variante 1 oder Variante 2 den höchsten Nutzen erbringt, und entsprechend umgeschaltet wird. Dabei kann berücksichtigt werden, dass durch Änderungen der Eigenschaften der zu filtrierenden Suspensionen S1 und/oder S2 oder durch Änderung der betrieblichen Anforderungen, wie benötigte Qualität oder Quantität der Filtrate und/oder Dickstoffe das Umschalten von einer Variante auf die andere zu besseren Ergebnissen führt.
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Eine weitere Einflussmöglichkeit auf den Betrieb einer das Verfahren ausführenden Filtervorrichtung bietet die Zugabe von Verdünnungswasser in den Filtertrog 4 oder in dessen Zuleitungen. Das zeigt die 4, bei der das Schema der 3 entsprechend ergänzt wurde. So wird das Verdünnungswasser 24 über Stellventile 25 und 26 wahlweise den Strömen der Suspensionen S1 bzw. S2 zugemischt, bei diesem Beispiel in die Saugleitungen der Pumpen 8 bzw. 9. Die Stellventile 25 und 26 erhalten Signale 27 bzw. 28 aus dem Prozessleitsystem PLS.
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Als weitere Ausgestaltung des Verfahrens wird hier der die Filtrate absaugende Unterdruck jeweils mit einer geodätischen Fallhöhe H1 bzw. H2 erzeugt. Dazu werden die Filtratbütten 33 und 34, in die die Fallleitungen eintauchen z. B. in einer tiefer liegenden Ebene/Etage des Gebäudes aufgestellt. Die Flüssigkeitsstände in den Filtratbütten 33 und 34 haben in der Praxis eine obere und eine untere Grenze, was zu einem minimalen bzw. maximalen Wert des Unterdruckes zur Filtrat-Absaugung führt. Diese Flüssigkeitsstände können jeweils entsprechend dem benötigten Unterdruck eingestellt werden. Hierzu geben die Signale 29 und 31 die Niveau-Werte an das Prozessleitsystem PLS. Die vom Prozessleitsystem PLS abgegebenen Signale 30 bzw. 32 stellen dann die Stellventile 35 bzw. 36 ein, die sich z. B. in den Ablaufleitungen der Filtratbütten 33 bzw. 34 befinden. Um den Unterdruck zu regeln, können sich angesteuerte Stellventile 35' und 36' auch in den Fallleitungen zwischen der Hohlwelle 3 und der Filtratbütte 33 bzw. 34 befinden. Die Verwendung von Fallrohren zur Unterdruckerzeugung ist besonders günstig und erspart eventuell zwei Pumpen. Sie ist nicht auf das Beispiel der 4 beschränkt. Die Unterdrücke in den Filtratbütten 33 und 34 können auch mit anderen Mitteln, z. B. Pumpen erzeugt werden.
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Die Regelung des Prozesses kann bei einem Scheibenfilter mit zwei Kammern 12 und 13 konkret wie folgt ablaufen:
- 1. Das Flüssigkeitsniveau einer Kammer (z. B. Kammer 12 in 4) wird als „Level Master” geregelt. Dabei wird der Unterdruck für die Filtrat-Absaugung maximal eingestellt und kein Verdünnungswasser zugegeben. Das Flüssigkeitsniveau wird ständig gemessen, als Reaktion wird
- a) bei zu hohem Wert die Rotationsgeschwindigkeit der Hohlwelle 3 erhöht,
- b) bei tolerierbarem Wert die Rotationsgeschwindigkeit gleichgelassen, und
- c) bei zu geringem die Rotationsgeschwindigkeit gesenkt.
- 2. Das Flüssigkeitsniveau der zweiten Kammer (z. B. Kammer 13 in 4) wird als „Level Slave” geregelt. Das Flüssigkeitsniveau wird ständig gemessen.
- a) bei zu hohem Wert wird
- – falls Verdünnungswasser 24 fließt, dessen Zugabe am Stellventil 26 reduziert,
- – sonst der Unterdruck für die Filtrat-Absaugung erhöht (höhere Leistung der Pumpe 11 oder Niveau-Absenkung in der Filtratbütte 33 oder das Stellventil 35' öffnen),
- b) bei tolerierbarem Wert wird alles gleichgelassen, und
- c) bei zu geringem Wert wird
- – falls der Unterdruck für die Filtrat-Absaugung größer ist als Minimum (Leistung der Pumpe 11 reduzierbar oder Niveau in der Filtratbütte 33 noch unter der Obergrenze), dieser gesenkt.
- – sonst die Zugabe von Verdünnungswasser 24 am Stellventil 26 erhöht oder das Stellventil 36' gedrosselt/geschlossen.
- 3. Übersteigt das Flüssigkeitsniveau der zweiten Kammer (Kammer 13 in 4) den Sollwert um einen vorgegebenen Maximalwert (z. B. das Doppelte) und ist gleichzeitig das Flüssigkeitsniveau der ersten Kammer (Kammer 12 in 4) niedriger als dessen Sollwert, so erfolgt eine Master-auf-Slave und Slave-auf-Master Umschaltung. In diesem Fall wird also die erste Kammer (Kammer 12 in 4) so geregelt wie vorher die zweite Kammer (Kammer 13 in 4).
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Kriterien zur Entscheidung, bei welcher Kammer (12 oder 13) der Betrieb am günstigsten nur durch Änderung des Unterdruckes geregelt wird, können z. B. sein:
In welcher Kammer wird die Suspension S1 oder S2 mit dem geringeren Entwässerungswiderstand eingespeist, oder
in welcher Kammer wird die Suspension S1 oder S2 mit dem geringeren Feststoffgehalt eingespeist, oder
in welcher Kammer wird der mit dem geringeren auf die Filterfläche bezogenen Volumendurchsatz gefahren, oder
welche Kammer hat am meisten freie Kapazität.
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Die bisher beschriebenen Verfahren mit jeweils zwei verschiedenen Suspensionen S1 und S2 sowie zwei getrennt abgezogenen Filtraten F1 und F2 sind sicherlich die wichtigsten Anwendungen der Erfindung. Grundsätzlich kann ein Scheibenfilter aber auch in drei oder Kammern unterteilt und mit entsprechend vielen Filtratsystemen in der Hohlwelle und Filtratausläufen versehen sein. Mit diesem konstruktiven Mehraufwand ließen sich also drei oder mehr Filtrationen gleichzeitig in einer Maschine durchführen. Die Regelung müsste dann bei mindestens zwei Filtraten eine Unterdruckbeeinflussung vornehmen.
