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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere eine Filterplatte, für Filterpressen und/oder Filtertürme. Hierzu zählen Filterplatten mit Rahmen, Kammerfilterplatten, Membranfilterplatten und beheiz- bzw. kühlbare Filter- und Membranfilterplatten.
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Diese Filterplatten kommen in vertikal sowie horizontal montierter Position in Maschinen wie Filterpressen oder Filtertürmen zum Einsatz. In speziellen Anwendungsbereichen können diese Filterplatten auch in Trommel- oder Scheibenfiltern verwendet werden.
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Filterpressen sind vielfältig einsetzbar. Die Größe der abzutrennenden Feststoffe reicht dabei vom µm-Bereich (z. B. Enzyme) bis hinauf in den mm-Bereich (z. B. Klärschlamm). Die Filterflächen reichen von weniger als 1m2 bei kleinen Laborprozessen bis hin zu über 1.000 m2 bei Großpressen. Verwendet werden sie in der Lebensmittelindustrie, der chemischen, der keramischen oder der pharmazeutischen Industrie. Ebenso findet man sie in der Metallurgie und im Bergbau.
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Gemäß dem Stand der Technik werden solche Filterplatten bzw. Filterelemente aus folgenden Werkstoffen hergestellt:
- - Holz
- - Metalle, z. B. Stahl, Edelstahl Titan, Guss, Aluminium, u. a.
- - Thermoplaste (u.a. PP, PVDF)
- - Duroplaste (u.a. GFK)
- - kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK).
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Bei den bisher üblich verbauten Werkstoffen wurden die Filterplatten aus durchgehend gleichem Material gefertigt, da die Werkstoffe dafür günstig sind. Dies ist kostengünstiger als den Aufwand zu betreiben, verschiedene Werkstoffe zu kombinieren.
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Dabei gibt es für verschiedene Anwendungen bei den bisher verwendeten, relativ günstigen Werkstoffen keine Lösungen, z. B. bei hohen Temperaturen und/oder chemischer Belastung. Dies trifft u. a. in der petrochemischen Industrie zu. Auch geht der Trend zu höheren Temperaturen während der Filtration, da die Filtrationsleistungen meist mit der Temperatur steigen. Der zumeist verwendete Werkstoff Polypropylen (PP) ist aber nur bis zu einer Temperaturobergrenze von etwa 90 °C einsetzbar. Der alternativ verwendete Werkstoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist relativ schwer und wie auch kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff sehr teuer.
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Die Erfindungsaufgabe liegt somit ausgehend von diesem Stand der Technik darin, leichtere und/oder kostengünstigere, widerstandsfähige Filterelemente oder Filterplatten bereitzustellen, welche eine ausreichend hohe Festigkeit sowie ein ausreichend hohes Flächenträgheitsmoment aufweisen.
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Die Erfindungsaufgabe wird gelöst durch ein Filterelement, insbesondere eine Filterplatte, für Filterpressen und/oder Filtertürme, welches zumindest in Teilbereichen zwei voneinander beabstandete äußere Deckplatten sowie ein zwischen den äußeren Deckplatten angeordnetes inneres Kernmedium umfasst.
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Grundlage einer solchen Sandwichbauweise ist es, ein höheres Flächenträgheitsmoment für die Innenbereiche der Platten zu erreichen, wozu die in der Regel dünnen, äußeren Deckplatten mit vorzugsweise hoher Festigkeit und/oder chemischer Beständigkeit auf das Kernmaterial in der Mitte des Filterelements, insbesondere der Filterplatte, aufgebracht werden. Die Auslegung der Deckplatten erfolgt dabei entsprechend der benötigten Verfahrensdrücke, der Temperaturen und der chemischen Belastung. Der Kernwerkstoff ist in der Regel günstiger als die hochfesten Deckplatten. Bei den teuren Werkstoffen wie z. B. Edelstahl, Titan und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ist es demzufolge von Interesse, an den Filterplatten Material zu sparen und nur an den Stellen Material einzusetzen, an denen dies aus Gründen der chemischen Beständigkeit und/oder der Festigkeit von Nöten ist.
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Diese Anordnung bietet mehrere Vorteile. So wird es möglich, bei den teuren, für Filterelemente bzw. Filterplatten verwendeten Werkstoffen, deutlich an Material zu sparen, ohne dass sich das Flächenträgheitsmoment bzw. die Festigkeit oder auch die chemische Beständigkeit des Filterelements bzw. der Filterplatte negativ verändern. Durch weniger benötigten teuren Werkstoff, wie z. B. Edelstahl, Titan und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, sinken auch die Herstellungskosten.
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Besonders bevorzugt können die Deckplatten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff hergestellt sein, welcher gegenüber den übrigen aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffen folgende Vorteile aufweist:
- - niedrigere Dichte
- - wesentlich höhere Festigkeit
- - höherer E-Modul
- - höhere Temperaturbeständigkeit, insbesondere auch hinsichtlich der Abmessungen
- - relativ großer Temperaturbereich für den Einsatz.
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Jedoch sind auch andere Werkstoffe für die Deckplatten denkbar, wie z. B. Metalle, glasfaserverstärkte Kunststoffe, Keramik, u. a.
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Ferner kann das Kernmedium aus Hartschaum ausgebildet sein. Hartschaum, beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC) als häufig verwendeter Sandwichbau-Werkstoff, Polystyrol (PS) oder Polyurethan (PU), weist eine relativ geringe Dichte auf und ist kostengünstig. Außerdem ist z. B. PVC sehr haltbar.
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Alternativ kann das Kernmedium in einer wabenartigen Struktur ausgebildet sein, wobei die Waben der wabenartigen Struktur derart angeordnet sein können, dass deren Mittelachsen im Wesentlichen orthogonal zu Ebenen der Deckplatten ausgerichtet sind. Wabenstrukturen, welche oftmals im Leichtbau Anwendung finden, bieten den Vorteil einer sehr niedrigen Dichte bei größtmöglicher Stabilität in der gewünschten Richtung entlang der Mittelachsen der Waben - hier orthogonal zu den Deckplattenebenen. Grundsätzlich kann das Kernmedium aber auch als Rippenkonstruktionen (auch aus den teuren Werkstoffen), aus Keramik, Hartgewebe, u. a. gebildet sein. Bei einer ausreichenden Anzahl an über die Plattenebene verteilten Stützpunkten und/oder beispielsweise Rippenkonstruktionen ist es auch denkbar, dass das Kernmedium aus Luft oder Gas gebildet ist. Der Werkstoff des Kernmediums ist in der Regel günstiger als der der Deckplatten.
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Vorzugsweise kann das Filterelement erste Teilbereiche umfassen, in welchen das Kernmedium zwischen den Deckplatten angeordnet ist, und zweite Teilbereiche umfassen, in welchen ein Stützmedium angeordnet ist, welches in einer Richtung orthogonal zur Ebene der Deckplatten eine höhere Druckfestigkeit aufweist als das Kernmedium. Ein solches Stützmedium ist in Bereichen nötig, welche höheren Belastungen ausgesetzt sind. Dazu zählen die Druckbereiche der Platten an einem Dichtrand, an Stütznocken und an Einlaufzonen, welche für die Aufnahme der von der Filterpresse aufgebrachten Schließkräfte ausgelegt sind. Das Stützmedium weist vorzugsweise eine höhere Druckfestigkeit als das Kernmedium auf, kann aber unter Umständen auch aus demselben Werkstoff wie das Kernmedium oder wie die Deckplatten gebildet sein.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Filterelement erste Teilbereiche umfassen, in welchen das Kernmedium zwischen den Deckplatten angeordnet ist, und zweite Teilbereiche umfassen, in welchen die Deckplatten aneinander anliegen, insbesondere ein Vorsprung einer Deckplatte an der anderen Deckplatte anliegt oder ein Vorsprung einer Deckplatte an einem Vorsprung der anderen Deckplatte anliegt. Als Alternative zu einem Stützmedium können die Deckplatten in Teilbereichen aneinander anliegen oder Vorsprünge aufweisen, welche aneinander anliegen, und so für die nötige Druckfestigkeit in bestimmten Bereichen sorgen. Ein Vorteil ist hier, dass eventuell kein zusätzliches Material außer das der Deckplatten nötig ist, ein Nachteil besteht darin, dass der Deckplattenwerkstoff üblicherweise teurer und schwerer als der des Kernmediums ist.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Filterelement erste Teilbereiche umfassen, in welchen das Kernmedium zwischen den Deckplatten angeordnet ist, zweite Teilbereiche umfassen, in welchen ein Stützmedium angeordnet ist, welches in einer Richtung orthogonal zur Ebene der Deckplatten eine höhere Druckfestigkeit aufweist als das Kernmedium, und dritte Teilbereiche umfassen, in welchen die Deckplatten aneinander anliegen, insbesondere ein Vorsprung einer Deckplatte an der anderen Deckplatte anliegt oder ein Vorsprung einer Deckplatte an einem Vorsprung der anderen Deckplatte anliegt. Als weitere Alternative können je nach Festigkeitsanforderung in einem bestimmten Teilbereich sowohl ein Stützmedium als auch Vorsprünge vorgesehen sein, so dass auch unterschiedliche Druckfestigkeitsanforderungen berücksichtigt werden können.
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Das Stützmedium kann aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sein wie das Kernmedium. Dieser Aufbau stellt eine besonders kostengünstige Variante der vorliegenden Erfindung dar.
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Vorzugsweise können die Deckplatten unlösbar mit dem Kernmedium verbunden sein, was einen besonders stabilen Aufbau des Sandwich-Filterelements bzw. der Sandwich-Filterplatte gewährleistet. Als Fügeverfahren kommen dabei z. B. bei metallischen Werkstoffen Schweißen und z. B. bei Kunststoffen, wie insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, Kleben in Frage. Der Verbund von Deckplatten zu Kernmedium soll die Schubkräfte von den Deckplatten zu dem Kernmedium sicher aufnehmen.
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Als Alternative können die Deckplatten fest aber lösbar mit dem Kernmedium verbunden sein, wodurch das Kernmedium austauschbar ist. Die Deckplatten können dabei beispielsweise mit dem Kernmedium vernietet oder verschraubt sein. Auch hier soll der Verbund von Deckplatten zu Kernmedium die Schubkräfte von den Deckplatten zu dem Kernmedium sicher aufnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Deckplatten auf einer einer dem Kernmedium zugewandten Innenseite entgegengesetzten Außenseite eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweisen. Eine solche Deckplatte mit glatter Oberfläche ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen.
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An der im Wesentlichen glatten Oberfläche der Außenseite der Deckplatten kann ein Noppen oder Rillen aufweisendes Profil angebracht sein. Dieses Profil kann aufgesteckt, angeschraubt, angenietet, angeklebt etc. sein und dient als Auflage für ein Filtermedium, insbesondere ein Filtertextil bzw. ein Filtertuch, ein Metallgewebe, oder eine Filtermembran. Die Rillierung oder der Noppenbereich ist zur Filtratableitung notwendig und sorgt dafür, dass in dem zu filternden Fluid enthaltene Partikel besser festgehalten und von dem Filtermedium aufgenommen werden können. Die Strukturen können z. B. in Form von Metallgittern oder Kunststoffplatten mit Noppen auf den Deckplatten befestigt sein.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die Deckplatten an einer einer dem Kernmedium zugewandten Innenseite entgegengesetzten Außenseite zumindest im Bereich einer Filterfläche einstückig mit Noppen oder Rillen ausgebildet sein. Auch diese Rillen oder Noppen sind zur Filtratableitung notwendig und dienen als Auflage für ein Filtermedium oder eine Filtermembran. Durch die einstückige Ausbildung der genoppten oder rillierten Deckplatten entfällt der Aufwand, ein zusätzliches Noppen- oder Rillenprofil an Filterelementen bzw. den Filterplatten anbringen zu müssen. Auch Verschmutzungen zwischen Filterplatte und daran angebrachtem Rillen- oder Noppenprofil können so vermieden werden. Auch Platten, z. B. Metallplatten, mit strukturierter Oberfläche sind hier denkbar.
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Besonders günstig kann die vorliegende Erfindung in Filterpressen angewendet werden, welche eine Mehrzahl von miteinander verspannten Filterelementen der hier beschriebenen Arten sowie eine Spannvorrichtung umfasst, mittels welcher die Filterelemente zusammengedrückt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1a eine Filterplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 1b eine Schnittansicht der Filterplatte aus 1a entlang des Schnittverlaufs 1-1;
- 2a eine in 1b mit A gekennzeichnete vergrößerte Darstellung eines Randbereichs der Filterplatte;
- 2b eine in 1b mit B gekennzeichnete vergrößerte Darstellung eines Einlaufbereichs der Filterplatte;
- 2c eine in 1b mit C gekennzeichnete vergrößerte Darstellung eines Stütznockenbereichs der Filterplatte;
- 3a einen Teilbereich einer Filterplatte mit aufgestecktem Noppenprofil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3b einen Teilbereich einer Filterplatte mit einstückig ausgebildetem Noppenprofil gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1a zeigt eine Filterplatte 10 zur Verwendung in Filterpressen und/oder Filtertürmen. Die Filterplatte 10 umfasst einen umlaufenden Dichtrand bzw. Randbereich 12 mit Eckbohrungen 14-1, 14-2, 14-3, 14-4 als Ablauf für ein filtriertes Fluid, einen Einlaufbereich 16 mit einer Einlauföffnung 18 sowie Stütznockenbereiche 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 zur Stabilisierung der Filterplatte. Der Dichtrand 12 schließt einen Filterbereich F ein, in welchen die zu filternde Masse über die Einlauföffnung 18 eingeleitet wird.
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1b zeigt eine Schnittansicht der Filterplatte aus 1a entlang des Schnittverlaufs 1-1. Dargestellt sind der Randbereich 12, die Eckbohrung 14-4, der Einlaufbereich 16 mit der Einlauföffnung 18, der Stütznockenbereich 20-2 sowie eine obere Deckplatte 22-1 und eine untere Deckplatte 22-2. Der Bereich zwischen den Deckplatten 22-1, 22-2, in welchem keines aus Dichtrand 12, Einlaufbereich 16 und Stütznockenbereich 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 angeordnet ist, ist mit einem Kernmedium 24 ausgefüllt.
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2a zeigt eine in 1b mit A gekennzeichnete vergrößerte Darstellung eines Randbereichs 12 der Filterplatte 10. Wie erwähnt, kann der Randbereich 12 vier Eckbohrungen 14-1, 14-2, 14-3, 14-4 aufweisen, wovon die Eckbohrung 14-4 dargestellt ist. Diese können für den Ablauf eines filtrierten Fluides vorgesehen sein und über nicht dargestellte Kanäle mit dem Filterbereich F verbunden sein, um das gefilterte Fluid weiterzuleiten. Vorteilhaft können die vier Eckbohrungen 14-1, 14-2, 14-3, 14-4 über weitere Kanäle miteinander verbunden sein. Zwischen den Deckplatten 22-1, 22-2 kann in ersten Teilbereichen, welche keinen relevanten Druckkräften durch beispielsweise Schließkräfte der Filterpressen, ausgesetzt sind, das Kernmedium 24 angeordnet sein. Diese Bereiche sind für den in der Filterkammer F anliegenden Arbeitsdruck ausgelegt. Vorzugsweise kann in den übrigen Teilbereichen ein Stützmedium 12-S angeordnet sein, welches einerseits über eine höhere Festigkeit als das Kernmedium 24 verfügt und andererseits auch chemisch resistent sein sollte, da es auch als Dichtmaterial an den Eckbohrungen 14-1, 14-2, 14-3, 14-4 sowie den zugehörigen Verbindungskanälen eingesetzt werden kann. Alternativ kann aber auch eine zusätzliche Dichtung vorgesehen sein.
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2b zeigt eine in 1b mit B gekennzeichnete vergrößerte Darstellung eines Einlaufbereichs 16 der Filterplatte 10. Der Einlaufbereich 16 kann die Einlauföffnung 18, über welche die zu filternde Masse in den Filterbereich F zugeführt wird und welche von einem Stützmedium 16-S umgeben ist, sowie in den umliegenden Bereichen das Kernmedium 24 umfassen. Aufgabe des Stützmediums 16-S kann wiederum eine stützende und eine dichtende sein, wobei auch hier eine zusätzliche Dichtung vorgesehen sein kann.
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2c zeigt eine in 1b mit C gekennzeichnete vergrößerte Darstellung eines Stütznockenbereichs 20-2 der Filterplatte 10. Zusätzlich zu den in den Druckbereichen der Filterplatte 10 angeordneten Stützmedien 12-S und 16-S können in den Stütznockenbereichen 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 Stütznocken 20-S bereitgestellt sein, welche der Filterplattenanordnung eine größere Stabilität verleihen sowie die von der Filterpresse aufgebrachten Schließkräfte optimal aufnehmen und die Last verteilen können.
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3a zeigt einen Teilbereich einer Filterplatte 10 mit aufgestecktem Noppenprofil 28 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Bereich des Dichtrands 12 weist die Filterplatte 10 eine Verdickung 26 auf, welche vorzugsweise aus einem anderen Material als dem der Filterplatte 10 gebildet ist. Die Verdickung 26 ist notwendig, damit in der Mitte der Filterplatte 10 ein Hohlraum, der Filterbereich F, gebildet werden kann, in welchen die Trübe eingeleitet und in welchem es anschließend gefiltert werden kann. Die Deckplatten 22-1, 22-2 weisen jeweils eine glatte Innenseite 22-1i, 22-2i sowie eine glatte Außenseite 22-1a, 22-1b auf. Auf die Außenseiten 22-1a, 22-2a ist das Noppenprofil 28 aufgesteckt, alternativ angeschraubt, angenietet oder angeklebt. Die Noppen oder Rillen dienen als Auflage für ein Filtermedium 30, insbesondere ein Filtertextil 30 bzw. ein Filtertuch 30, oder eine Filtermembran zur Filterung von Partikeln, Schmutz und Schwebeteilchen aus der Trübe. Eine Noppen- oder Rillenstruktur kann die filternde Wirkung des Filtermediums 30 unterstützen, den Abfluss des gefilterten Fluides erleichtern und von einem direkten Kontakt mit einer der Deckplatten 22-1, 22-2 abhalten.
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3b zeigt einen Teilbereich einer Filterplatte 100 mit einstückig ausgebildetem Noppenprofil 128 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Filterplatte 10 mit einem Noppenprofil 28, sind die Noppen 128 bei dieser alternativen Ausführungsform einstückig mit der Filterplatte 100 jeweils an den Außenseiten 122-1a, 122-2a der Deckplatten 122-1, 122-2 ausgebildet. Auch diese Noppen 128 sind zur Filtratableitung notwendig und dienen als Auflage für das Filtermedium 30 oder die Filtermembran. Durch die einstückige Ausbildung der genoppten Deckplatten 122-1, 122-2 entfällt der Aufwand, ein zusätzliches Noppen- oder Rillenprofil 28 an Filterelementen bzw. den Filterplatten 100 anbringen zu müssen. Auch Verschmutzungen zwischen Filterplatte 100 bzw. den Deckplatten 122-1, 122-2 und daran angebrachtem Rillen- oder Noppenprofil 28 können so vermieden werden.
