DE2449817B2 - Verfahren und einrichtung zur filtration fluessiger medien - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur filtration fluessiger medien

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Description

55
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtration flüssiger Medien, aus welchen bei bekannten Filtrationen thixotrope Filterkuchen entstehen, insbesondere zur Ultrafiltration hochmolekularer Lösungen, mit Hilfe eines Füterelements und mit einem Druckgefälle in der Filtrationszone. Sie betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist bekannt aus der DT-OS 22 471. Bei diesem bekannten Verfahren wird das zu filternde flüssige Medium, z. B. eine wäßrige Dispersion von Piementfarbstoffem, oder Dispersionsfarbstoffen, durch einen kenischen Spalt hindurchgele.tet. wöbe. Sh auf der einen Seite dieses Spalts ein Sintermetallfilter kleiner Porengröße befindet Durch eine Pulsat.onspumpe wird das zu filternde flüssige Medium einer Druckpulsation unterworfen. Auf diese Weise soll auf dem Sintermetallfilter eine »Filterkuchensch.cht von optimaler Stärke« typisch von 0.2... 20 mm. aufrechterhalten werden. Ferner ist eine Vibrationsvorrichtung vorgesehen, um den genannten konischen Spalt periodisch zu verengen und zu erweitern. Die Vibrationen erfolgen also in einer Ebene, welche unter einem Winkel zum Sintermetallf.lter verlauft Durch diese Maßnahme soll das thixotrope Eindicken der aufkonzentrierten Flüssigkeit im konischen Spalt vermieden werden. - Versuche haben gezeigt, daß es eine »Filterkuchenschicht von optimaler Starke« nicht gibt sondern daß jede Filterkuchenschicht die Fiitrafionsleistung eines Filters verringert. Ein solches F.lter erlaubt daher keine optimalen F'lterleistungen
Ferner kennt man aus der DT-OS 16 11163 em Verfahren zum Eindicken von Suspensionen. Bei diesem Verfahren erfolgt eine intensive Mischung durch Drehung der auf einer Welle angeordneten Filterkörper mittels eines Elektromotors. Bei diesem Verfahren bildet sich ein gewisser Filterkuchen auf den Filterkorpern und dieser Filterkuchen soll sofort bei seiner Entstehung durch die intensive Bewegung der Suspension über den Filterkörpern mit der Suspension zusammengemischt werden. - Praktische Erfahrungen mit einem nach diesen Verfahren arbeitenden Filter haben gezeigt, daß auf den Filterkörpern eine Filterkuchen-Restschicht bleibt, die auch durch eine intensive Rührbewegung nicht entfernt werden kann. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die Scherkräfteübertragung über die Grenzfläche Suspension - Filterkuchen nicht intensiv genug ist, und daß der Filterkuchen deshalb bei diesem bekannten Verfahren nicht verflüssigt wird. Auch können durch erhöhte Reibung an dieser Grenzfläche Feststoffpartikeln verrieben werden, was noch zur zusätzlichen Erhöhung des Durchflußwiderstandes beitragen kann. Bedingt durch diese Erscheinungen nimmt auch bei diesem bekannten Verfahren die Filtrationsleistung im Laufe der Zeit stark ab.
Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden (DT-PS 13 03 735), zur Filterung von Suspensionen in Kombination folgende Maßnahmen zu treffen:
a) die Filterflächen in einer sie schneidenden Ebene Vibrationsbewegungen auszusetzen und
b) auf der Ablaufseite des Filters einen regelbaren den hydrostatischen Druck wesentlich überschreitender Gegendruck zur Regelung der Strömungsgeschwindig keit des Filtrats durch die Filterflächen aufrechtzuerhal
Die Vibrationsbewegungen werden dabei durch einer zwei Unwuchten antreibenden Asynchronmotor er zeugt und sollen die Filterflächen reinigen. — Versuche haben gezeigt, daß Vibrationsbewegungen in einer di< Filterfläche schneidenden Ebene nicht den Reinigungs erfolg bringen, den man intuitiv von ihnen zu erwartet geneigt ist. Eine zuverlässige theoretische Erklärunj dieses Phänomens liegt noch nicht vor, doch ist zi vermuten, daß solche Bewegungen bei ausschließliche Verwendung einen Teil der auszufilternden Partikeli direkt auf das Filter und in dieses hinein befördern, alsi einen Effekt haben, der dem gewünschten direk entgegengesetzt ist und der im Laufe der Zeit zu eine starken Herabsetzung der Filtrationsleistung führt.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, bei Verfahren und Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff die Bildung einer Grundschicht aus Filterkuchen auf den Filterelement bzw. den Filterelementen zuverlässig zu verhindern. β
Erreicht wird dies durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß vor allem durch eine Vibration parallel zur Oberfläche der Filterelemente in Verbindung mit dem aus der DT-OS16 11 163 an sich bekannten Rühren eine ic Haftung der Feststoffpartikelr. auf der Fikrationsschicht und ihren Poren vermieden werden kann, d. h. daß dann für die Qualität des Filterns allein die Porengröße (z. B. 0,1... 0\2 u) des Filterelements maßgeblich ist, wobei dann die Filtrationsleistung nicht durch die Bildung eines Filterkuchens auf den Filterelementen behindert wird. Ein solches Verfahren eignet sich besonders auch zur Ultrafiltration hochmolekularer Flüssigkeiten, bei der Stoffe mit unterschiedlichen Molekülgrößen getrennt werden.
Die optimalen Bedingungen zum Erreichen des vorgesehenen Effekts sind produktabhängig. So ist z. B. für leicht sedimentierende Partikeln eine vertikale Lage der Filterelemente von Vorteil.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand einiger Zeichnungen näher erklärt; dabei zeigt J0
Fig. 1 ein Filter mit einer Filterscheibe und einem Ankerrührer,
Fig.2 ein Filter mit zylindrischen Filter- und Rührelementen,
Fig.3 ein Filter mit einer Filtrationsscheibe an der Hohlwelle,
F i g. 4 ein Fil'.er mit einer Rührplatte an der Welle,
F i g. 5 ein Filter mit zylindrischen Filterelementen und einem Ankerrührer,
F i g. 6 ein Filter mit vier parallelen Filterplatten und fünf Rührscheiben,
Fig.7 ein Filter mit zwei kegelförmigen Filterelementen an einer Hohlwelle und zwei kegelförmigen Filterelementen auf einem Gefäß,
F i g. 8 ein Filter mit einer runden Filterplatte und mit einem Ultraschallvibrator,
F i g. 9 bis 12 ein Filter mit drei und vier rechteckigen Filterplatten und
F i g. 13 das Regelschema eines Filters.
In F i g. 1 ist schematisch ein Filter dargestellt, das aus einer, an der Hohlwelle 2 befestigten und beidseitig mit Filterelementen 10 versehenen hohlen Filterscheibe 1 besteht, die im Druckbehälter 3 angeordnet ist. Die in einer Büchse 4 gelagerte Welle 2 wird über einen Torsionsvibrator 8 durch einen Motor 9 angetrieben. Ein Block 11 ist über Vibratoren 12, ein Zwischenstück 13 und einen Vibrator 14 mit dem Gestell 15 verbunden.
Die Suspension wird durch einen Stutzen 6 in die Mitte der Filterscheibe 1 unter einer Druckdifferenz von minimal 0,4 bar zugeführt, strömt zum Umfang, und auf der anderen Seite wieder in die Mitte des Druckbehälters 3 zum Stutzen 7. Das Filtral strömt durch die Filterelemente 10 in den Hohlraum der Filterplatte 1 und fließt durch die Hohlwelle ab. Die Hohlwelle 2 und die Filterplatte 1 rotieren und führen gleichzeitig mittels des Vibrators 8 noch Torsionsvibrationen und mittels Vibratoren \l zur Achse senkrechte und mittels Vibrator 14 zur Achse parallele Vibrationen aus.
Darstellungsgemäß ist der Rührer als Ankerrührer 26 ausgebildet. Dieser Rührer 26 bewirkt auch bei schnell sedimentierenden Teilchen einen guten Transport zum Stutzen 7.
Durch diese kombinierten Vibrationen wird der Füterkuchenfilm verflüssigt, d h. so beeinflußt, daß er sich wie eine Flüssigkeit verhält, und vom Filterelement 10 entfernt; durch die Rotationsbewegung des Rührers 26 und des Filterelements 10 wird der verflüssigte Füterkuchenfilm dann in die Suspension eingemischt. Die Entnahme der konzentrierten Suspension kann mittels eines Regelventils, einer Pumpe oder einer Regelklappe erfolgen. Falls die Filterplatte 1 in axialer Richtung vibriert, entstehen in vorteilhafter Weise zusätzliche hydraulische Druckstöße.
In Fig.2 ist eine Variante des Filters nach Fig. 1 dargestellt Die zylindrischen, mit Filterelementen 31,35 versehenen Filterträger 30,34 sind im Gehäuse 29 und an der Rührwelle 2 angebracht Darstellungsgemäß ist der zylindrische Rührer 37 mit Schaufeln 33 versehen, die zum besseren Transport der eingedickten Suspension dienen. Die mittels des Stutzens 6 zugeführte Suspension wird in den Zwischenräumen, die durch die Filterträger 30, 34, das Gehäuse 29, die Rührer 32, 37 und den Druckbehälter 28 gebildet sind, aufkonzentriert. Die Entnahme der konzentrierten Suspension erfolgt durch die Hohlwelle 36, und das Filtrat strömt durch die Hohlwelle 2 aus dem Filter hinaus. Die Anordnung der Vibratoren entspricht dem Beispiel nach Fig. 1.
Im Filter nach Fig.3 wird der Rühreffekt durch die Rotation des Filterelements 10 relativ zu den unbeweglichen Wänden des Filterbehälters 3 erreicht. Funktion und Ausführung dieses Filters entsprechen dem Filter nach F ig. 1.
Das Filter nach Fig.4 besteht aus einem mit einem Filterelement 19 versehenen Filterträger 18, der im Druckbehälter 3 angeordnet ist Vibrationsbewegungen in der parallelen oder tangentialen Richtung zur Wellenachse werden durch einen Vibrator 23 erzielt. Zusätzlich dazu wirkt ein auf einem Gestell 22 befestigter Vibrator 25, der radiale, d. h. zu der Wellenachse gerichtete Vibrationen ausübt.
Die Funktion dieses Filters ist ähnlich derjenigen der oben beschriebenen Filter. Der Unterschied liegt darin, daß die Filterelemente mit dem Druckbehälter parallel, radial und tangential zur Wellenachse vibrieren, und daß der Rühreffekt mittels einer rotierenden, an der Welle 20 befestigten Rührscheibe 17 erfolgt
Der Filtrationsapparat nach Fig.5 weist zwei, mit Filterelementen 38,39 versehene Filterträger 42,43 iuf, die auf einem zylindrischen Druckbehälter 40, 41 befestigt sind. Ein an der Welle 20 angebrachter Rahmenrührer 44 wird durch einen Motor 9 angetrieben.
Das Filter nach Fig.6 besteht aus vier durch Vibratoren 46 angetriebenen vibrierenden Filterelementen 47, 48, die in einem Druckgefäß 45 angeordnet sind. Der rotierende Rührer 17 bildet gleichzeitig Trennwände zwischen den einzelnen Filterelementer 47, so das die eingedickte Suspension zwangsläufig vor der Mitte des Druckbehälters 45 zu seinem Umfang unc zurück strömen muß, bis sie entsprechend aufkonzen triert ist und den Entnahmestutzen 7 erreicht.
In Fig. 7 ist ein Filter mit zwei kegelförmigei vibrierenden und rotierenden Filterelementen 50 un< mit zwei kegelförmigen, vibrierenden Filterelemente! 52 dargestellt. Die Filterelemente 50 sind mittels eine Tragteils 51 an der Hohlwelle 2 befestigt, und di
Filterelemente 52 sind in einem Druckbehälter 53, 54 angebracht. Ein Vibrator 56 wirkt über eine Membran 57 auf den Flüssigkeitsinhalt des Filters. Durch diese kombinierten Vibrationsbewegungen entstehen in dem von den Filterelementen 50,52 gebildeten, keilförmigen Raum hydraulische Pulsationen, die eine zeitlich gesehen asymetrische Charakteristik aufweisen. Der Vibrator 56 kann ununterbrochen oder periodich eingeschaltet werden, wobei seine Frequenz 0,1 bis 2000 Hz beträgt. Die Amplitude wird so gewählt, daß die Druckschwankungen im Filter in einem Bereich von ± 50 bis 100% des Filtrationsdruckes liegen.
Der Filter nach Fi g. 8 besteht aus einer an der Welle 20 angebrachten Rührscheibe 17 und aus Filterelementen 18, die im Druckbehälter 3 angeordnet sind. Der mit dem Stutzen 6, 7, 21 versehene Druckbehälter 3 ist auf dem Gestell 22 flexibel befestigt. Ein Ultraschallgenerator 58 erzeugt Ultraschallvibrationen, die entweder durch die Flüssigkeit oder durch Verbindungen 59 auf die Filterschicht 19 und gleichzeitig auch auf die an ihr haftenden Teilchen übertragen werden. Dadurch wird der entstehende Filterküchenfilm verflüssigt, und die Feststoffteilchen werden koaguliert, was noch eine weitere Erniedrigung des Filtrationswiderstandes mit sich bringt und eine Leistungserhöhung ermöglicht. Zweckmäßigerweise kann der Ultraschallvibrator auch auf der Rührscheibe 17 angeordnet werden.
In Fig. 9, 10, 11 und 12 ist ein Filter dargestellt, das sich hauptsächlich für die Eindickung niedrig konzentrierter Suspension eignet. Das Filter besteht im wesentlichen aus vier hohlen, vibrierenden Filterträgern 64, deren Bewegungsrichtung vorzugsweise einen Winkel von 90° zur Vibrationsbewegung der anderen hohlen Filterträger 65 bildet. Alle Filterträger 64,66. die mit Filterelementen 62 und mit Vibratoren 67, 68 versehen sind, sind in einem Druckbehälter 61 angebracht. Stutzen 6, 7, 63 und 65 dienen zur Suspensionszufuhr, zur Suspensionsentnahme und zur Filtratentnahme. Der aufkonzentrierte Film wird durch die Vibrationen verflüssigt und von den Filterelementen entfernt. Die Oberfläche der Filterelemente ist zweckmäßigerweise wellenartig geformt und mit einem Stutzen 7 für die Entnahme der aufkonzentrierten Suspension versehen, wobei die Wellen senkrecht zur Vibrationsbewegung verlaufen. Diese Anordnung bewirkt eine Suspensionsbewegung und damit das Einmischen des an den Filterelementen angesammelten und durch die Vibrationen verflüssigten Filterkuchenfilms.
In Fig. 13 ist ein Regelschema eines Filtrationsapparates 71 dargestellt. Die Entnahme des Filterkuchens (Stellglied 69) wird mit einer Kaskadenregelung gesteuert. Der Sollwert des Hauptreglers (D-uckdifferenzregler 73) wird mit Hilfsregiern (Durchflußregler 74,75) zu einem Differenzbildner geführt.
Die Funktion des Systems basiert auf der allgemein bekannten Tatsache, daß der Durchflußwiderstand von der Durchflußmenge und der Viskosität direkt abhängig ist. Ferner ist es bekannt, daß die Zähigkeit der Suspension direkt von der Konzentration abhängt.
Das oben beschriebene System ist so ausgebucht, daß der Einfluß der Durchflußmenge eliminiert wird und daß der Sollwert des Hauptreglers 73 ständig der gewünschten Konzentration der eingedickten Suspension entspricht.
Als weitere Regelgröße für die Betätigung des Stellgliedes 69 kann die Konzentration des Kuchens (Regler 77) benutzt werden. Zweckmäßigerweise kann der Leistungsgrenzwert (Relais 76) des Antriebsmotors 9 zur Regelung des Stellgliedeis 69 bzw. 70 verwende! werden. Bei einem Hochalarm öffnet das Stellglied 69 bzw. schließt das Stellglied 70, und das Filter wird entlastet. Nach einer Variante werden die Stellglieder 69,70 mit Hilfe eines Zeit-Steuergeräts 72 wechselweise geschlossen und geöffnet. Im geschlossenen Zustanc wird gleichzeitig der Vibrator 56 in Betrieb gesetzt, unc durch die entstehenden Flüssigkcitspulsationcn wcrdcr die Filterelemente regeneriert.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Filtration flüssiger Medien, aus welchen bei bekannten Filtrationen thixotrope s Filterkuchen entstehen, insbesondere zur Ultrafiltration hochmolekularer Lösungen, mit Hilfe eines Filterelements und mit einem Dnickgefälle in der Filtrationszone, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar an dem Filterelement sich zu einem Filterkuchenfilm sammelnden Teilchen während des Filtrationsvorganges durch Vibration des Filterelements in einer zu seiner Oberfläche parallelen bzw. tangentialen Richtung von dieser Oberfläche kontinuierlich gelöst und durch Rühren wieder in die Suspension eingebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch \ dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der Vibrationen 10 bis 20 000 Hz, vorzugsweise 2000 bis 6000 Hz und die Amplitude 0,01 bis 10 mm betragen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationen durch Ultraschall, vorzugsweise mit einer Frequenz von 30 bis 170 kHz, erfolgen.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Behälter und den erforderlichen Stutzen für die Zufuhr des flüssigen Mediums sowie die Ableitung des Filtrats und des Filterkuchens, und mit mindestens einem innerhalb des Behälters, zwischen den Stutzen für die Zufuhr des flüssigen Mediums und der Filtratableitung angeordneten Filterelement und ferner mit mindestens einem in der Nähe des Filterelements angeordneten Rührer, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement mil mindestens einem ihm Vibrationen in einer zu seiner Oberfläche parallelen bzw. tangentialen Richtung erteilenden Vibrator (8, 12,14,23,25,46,56) gekoppelt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, daduo:h gekennzeichnet, daß die Filterelemente (1, 30, 34) an einer Hohlwelle (2) angeordnet sind, welche mit einem Torsionsvibrator (8) und/oder mit anderen, parallel zur Oberfläche des Füterelements vibrierenden Vibratoren (12,14) gekoppelt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (18, 42, 43) auf einem mit den Vibratoren (23, 25) gekoppelten Behälter (3,40,41) befestigt sind.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente in Form kreisförmiger, ovaler, viereckiger oder mehrkantiger Platten oder zylindrischer, kegelförmiger bzw. polygonaler Körper ausgebildet sind.
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8230 Patent withdrawn