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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von auf Filtern gebildeten
Stoffschichten mit Flüssigkeiten.
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Die bei ir Filtration gewonnenen weststoffe müssen zumeist mit Flüssigkeit
behandelt, insbesondere extrahiert werden, beispielsweise zur Erzielung eines bestimmten
pH-Wertes.
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Geinäss dem bisher bekanntgewordenen Stand der Technik wurde die
Flüssigkeitsbehandlung entweder
direkt auf dem Filter (in situ)
oder in räumlich getrennten Rührkesseln durchgeführt. Bei der erstgenannten Methode
wird die Flüssigkeit direkt auf den am Filter befindlichen Kuchen appliziert. In
der Regel kann dabei keine ausreichende Aufschlämmung des Kuchens erreicht werden;
der Effekt ist daher zumeist unzureichend. Bei der zweitgenannten Methode wird der
Effekt durch die gleichzeitige Wirkung mechanischer Kräfte wesentlich verbessert,
jedoch hat diese Methode unter anderem den schwerwiegenden Nachteil einer Unterbrechung
der Kontinuität des Gesamtprozesses.
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Durch die Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen
werden, die bei voller Wahrung der Kontinuität des Filtrationsprozesses die Fltlssigkeitsbehandlung
des Filterkuchens optimalisiert.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von auf Filtern
gebildeten Stoffschichten mit Flüssigkeiten, insbesondere zum Zweck einer Extraktion,
bei welchem man den Filter mit der darauf gebildeten Stoffschicht durch die Flüssigkeitsbehandlungszone
bewegt, und dabei die Stoffschicht einem Differenzdruck unterwirft, dessen Gradient
von der Stoffschicht durch den Filter gerichtet ist.
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Das gesteckte Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass man
die Stoffschicht während der Flussigkeits behandlung portionenweise vom Filter abhebt,
zumindest einen Teil dieser Portionen mit Behandlungsflilssigkeit kontaktiert und
die Portionen in der FlUssigkeitsbehandlungszone zumindest einmal auf den Filter
zurückbefördert.
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Beim erfindungsgemässen Verfahren wird der Feststoff in wechselnden
Teilmengen (Portionen) wiederholt behandelt und zwar jedesmal mit frischer Flüssigkeit.
Die verbrauchte Flüssigkeit wird kontinuierlich durch den Filter abgesaugt. Somit
ergeben sich ähnlich günstige Verhältnisse wie in Gegenstromextraktionskolonnen.
Da ständig eine grosse Anzahl von Teilmengen gleichzeitig behandelt werden kann,
ermöglicht das neue Verfahren nicht nur einen sehr hohen Wirkungsgrad (Verhältnis
des erzielten Effektes, z.B. Extraktionsgrades, zum Flüssigkeitsverbrauch) sondern
auch eine hohe Leistung.
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Das Verfahren ist daher für moderne schnellaufende Vakuum-Bandfilter
und dergleichen vorzüglich geeignet.
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Ges'cis einer bevorzugten Variante werden beim erfindungsgemässen
Verfahren die Portionen spitzwinkelig entgegen der Anlaufrichtung des Filters aus
der Feststoffschicht herausgehoben und längs einer entgegengesetzt verlaufenden
bogenförmigen
Bahn wiederum auf den Filter zurückbefbrdert. Längs diesen Bahnen besitzen die Portionen
beim Abheben eine zur Bewegungsrichtung des Filters entgegengesetzt gerichtete Geschwindigkeitskomponente
und bewegen sich im Scheitelpunkt des Bogens in derselben Richtung wie der Filter.
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Nach Möglichkeit soll die Bewegungsbahn so ausgelegt werden, dass
die Portionen etwa auf dieselben Stellen des inzwischen weitergelaufenen Filters
zurUckbefördert werden, von denen. sie abgehoben wurden. Dadurch ergibt sich eine
optimale Ausnutzung der Länge der Flussikgeitsbehandlungszone, bzw. kann die Länge
dieser Zone auf ein Minimum uerkiirzt werden.
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Gemäss einer weiteren Verfahrensvariante werden die Portionen auf
Geschwindigkeiten von etwa 0,5-lOm/sec, vorzugsweise 3 bis 5m/sec beschleunigt.
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Für Feststoffe, die eine geeignete Beschaffenheit, insbesondere Konsistenz
haben und bei der Flüssigkeitsbehandlung beibehalten, kann gemäss der weiteren Erfindung
das Verfahren dadurch weiter optimiert werden, dass aus dem Feststoff über dem Filter
eine Art Wirbelschicht gebildet und die Behandlungsflüssigkeit direkt in diese eingespritzt
wird.
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Eine weitere wichtige Verfahrensvariante besteht darin, den Feststoff
gleichzeitig mit der Flüssigkeitsbehandlung der Einwirkung korn- oder zumindest
agglomeratzerstörender mechanischer Kräfte zu unterwerfen.
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Diese Kräfte können mit den Abhebe- bzw. Beschleunigungskräften identisch
sein, falls diese ausreichend gross gewählt werden, was insbesondere bei der Wirbelbettvariante
der Fall ist.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht
in dessen einfacher apparativer Realisierbarkeit.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens
ist gekennzeichnet durch ein oder mehrere im wesentlichen parallel im Abstand zueinander
drehbar angeordnete, motorisch antreibbare Rührorgane, eine sich über diese Rührorgane
erstreckende, nur auf einer Seite offene Abdeckung, Mittel zur Zufuhr von Flüssigkeit
in den Wirkungsbereich der Rührorgane, und Mittel zur Befestigung und Positionierung
dieser Anordnung mit der Oeffnung nach unten.
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Eine erfindungsgemäss adaptierte Filtriervorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, dass über Ihrem Filter in der Flüssigkeitsbehandlungszone eine Vorrichtung
mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen mit der
Oeffnung nach
unten angeordnet ist. Hierbei ist der Abstand so eingestellt bzw. einstellbar, dass
das Rührorgan bzw. die Ruhrorgane sich inso geringem Abstand von der Filterfläche
befinden, dass sie in einem darauf befindlichen Filterkuchen eingreifen und diesen
portionenweise abheben. Bei ausreichend hoher Drehzahl der Rührorgane geht das Abheben
in ein Abschleudern und Aufwirbeln über.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschema einer erfindungsgemäss adaptierten Vakuum-Bandfiltrationsanlage,
Fig. 2 die Flüssigkeitsbehandlungszone einer Vakuum-Bandfiltraticnsanlage mit einem
ersten praktischen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung.
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Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2, Fig. 4 den
Ausschnitt IV der Fig. 3 in vergrdsserter detaillierter Darstellung, Fig. 5 ein
zweites Auführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig.
6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 5, Fig. 7 einen Schnitt (Aufsicht)
längs der Linie VII-VII der Fig. 6, Fig. 8 ein Prinzipschema eines erfindungsgemuss
adaptierten Vakuum-Drehfilters.
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In Fig. l ist eine Vakuum-Bandfiltrationsanlage 50, wie sie beispielsweise
in der CH-Patentschrift 385 702 näher beschrieben ist, in Verbindung mit einer erfindungsgemäss
ausgebildeten Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung 20 dargestellt.
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Die Filtrationsanlage umfasst ein durch eine Trennzone A, eine Flüssigkeitsbehandlungszone
B und eine Trocknungszone C in Richtung des Pfeiles T laufendes Filterband 4, Unter
diesem Band sind Unterdruckwannen 5 angeordnet, welche paarweise mittels flexibler
Leitungen 13 wahlweise über Ventile 7 mit einer gemeinsamen Absaugvorrichtung (nicht
dargestellt) verbunden oder über Ventile 6 entlüftet werden können#. Das Filterband
4 ist mittels einer nicht dargestellten Transportvorrichtung kontinuierlich in Richtung
des Pfeiles T antreibbar.
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Mit 1 ist eine Vorrichtung zur Suspensionszugabe bezeichnet.
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In Laufrichtung des Filterbandes nach der Walze 9 ist dieses durch
den Wirkungsbereich einer Reinigungsvorrichtung geführt, welche eine Zuleitung 10,
eine Düse 15, einen Sammelbehälter 16 und eine Ableitung 11 umfasst.
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Die Unterdruckwannen 5 sind in Hubrichtung frei bewegbar und in Laufrichtung
des Filterbandes gegen die Kraft einer nicht dargestellten Ruckstellvorrichtung
verschiebbar. Sie werden daher bei ihrer Evakuierung (Ventil 7 offen, Ventil 6 geschlossen)
durch Saugkraft angehoben, am Filterband fixiert und von diesem mitgenommen.
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Bei Abschaltung des Unterdruckes (Ventil 7 geschlossen, Ventil 6 geöffnet)
fallen die Wannen vom Filterband ab und werden durch die Rückstellvorrichtung wiederum
in ihre AusgangssteILung zurückgeschoben usw..
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Bei neueren Ausführungen sind die Unterdruckwannen 5 aktiv angetrieben
und mit der Filterbandbewegung synchronisierbar.
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In der Flüssigkeitsbehandlungszone B ist über dem Filtertuch 4 die
insgesamt mit 20 bezeichnete Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung an einem Träger
40b des Maschinengestells gelagert. Die Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung 20 umfasst
zwei parallel-im Abstand zueinander drehbar angetriebene Rührorgane 22a und 22b,
deren Drehachsen 23a und 23b im wesentlichen parallel zur Filteroberfläche verlaufen,
zwei auf der Filterseite offene Abdeckungen 24a und 24b und zwei Zuführungen 3a
und 3b fUr die Zufuhr von BehandlungsflUssigkeit in den Wirkungsbereich der beiden
Rührorgane Die RUhrorgane werden mittels eines Elektromotors 66 über eine Zahnriementransmission
44, 21b,
45, und 21a angetrieben.
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Die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist folgende:
In der Trennzone A wird mittels der Speisevorrichtung 1 die zu filtrierende Suspension
auf das Filterband aufgebracht, und bildet dort in der Folge einen Filterkuchen
2. Dieser bewegt sich in durch Dosiermenge und Filterbandgeschwindigkeit steuerbarer
Schichtdicke ebenfalls in Richtung des Pfeiles T. Der sich in der Trennzone A bildende
Kuchen 2 gelangt in der Flüssigkeitsbehandlungszone B in den Wirkbereich der Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung
20 und wird dort aufgeschlämmt und ausgewaschen. Dabei wird der Kuchen durch die
sich mit grosser Geschwindigkeit entgegen der Bewegungsrichtung des Filterbandes
bewegenden schaufelartigen Rührorgane 22a und 22b innerhalb des Behandlungsraumes
zu kleinsten Teilen verwirbelt und mit der unter Druck einströmenden Behandlungsflüssigkeit
intensiv durchmischt. Nach dem Passieren der Vorrichtung 20 lagert sich die nunmehr
behandelte Suspension wieder in Form eines Kuchens auf dem sich weiterbewegenden
Filterband ab. In der Zone C wird der behandelte Kuchen getrocknet und in der Zone
D durch einen Schaber 12 vom Filterband entfernt. Das weiterlaufende leere Filterband
wird mit Waschflüssigkeit aus der Düse 15 gereinigt.
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Die Anordnung der detaillierteren Darstellung der Fig. 2 bis 4 unterscheidet
sich von der prinzipiellen Darstellung der Fig. lvor allem dadurch, dass die Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung
20 über einen Zwischenrahmen 27 und eine Konsole 43 mit zwei oberen Trägern 40a
und 40b des Maschinengestells verbunden ist. Dabei ist der Zwischenrahmen 27 mit
einem seiner beiden Enden um eine Achse 41 schwenkbar an der Konsole angelenkt.
Das andere Ende des Zwischenrahmens ist mit dem freien Ende der Kolbenstange 42k
eines pneumatischen oder hydraulischen Zylinders 42z gelenkig verbunden, der seinerseits
wiederum an der Konsole angelenkt ist. Der Zylinder ist Teil eines nicht dargestellten
Pneumatik-oder Hydrauliksystems.Die geometrische Anordnung der Anlenk-bzw Schwenkachsen
ist so getroffen, dass die Vorrichtung 20 durch die Schwenkstellorgane sich einerseits
optimal über dem Filterband 4 positionieren lässt und andererseits von diesem ausreichend
weit abgehoben werden kann. Erforderlichenfalls kann das Schwenksystem durch eine
gleichfalls hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Hubvorrichtung ergänzt oder
ersetzt sein. Die Konsole 43 ist verschieb-und an beliebigen Stellen fixierbar an
den Trägern 40a und 40b des Maschinengestells gelagert. Dadurch kann der Flüssigkeitsbehandlungsprozess,
insbesondere produktspezifisch stets an der optimalen Stelle des Filtrationsprozesses
durchgeführt werden.
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Die Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung 20 umfasst im wesentlichen
die beiden Rührorgane 22a und 22b, die parallel zur Ebene des Bandfilters, drehbar
um Achsen 23a und 23 b gelagert sind, wobei diese Achsen mittels Streben 25a mit
dem Zwischenrahmen 27 verbunden sind. Die Rührorgane sind zum Zwischenrahmen hin
durch halbzylinderförmige Hauben 24a und 24b abgedeckt. Vor den Oeffnungen dieser
Hauben sind Kufen 81 angeordnet, welche verhindern, dass die Schaufeln das Filterband
berühren und beschädigen.
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Die Zufuhr der Behandlungsflüssigkeit erfolgt über Drehkupplungen
38 in die hohlen Achsen 23a und 23b. Aus dem Innern der Achsen tritt die Flüssigkeit
durch Kanäle 30 in Verteilräume 31 und von da durch Düsen 32a und 32b, die sich
jeweils rechts und links von den Scheiben 33 befinden, in den Wirkungsbereich der
Rührorgane. Die Strömungsrichtung der austretenden Flüssigkeit ist durch Pfeile
s angedeutet. In Fig. 2 ist die Vorrichtung 20 in vom Filterband 4 abgehobener Stellung
dargestellt. Beim Einsatz wird die Vorrichtung 20 auf das Filterband abgesenkt.
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Die Kufen 81 bilden einerseits einen Schutz gegenüber direktem Kontakt
der schaufelartigen Rührorgane mit dem Filtertuch und schaffen andererseits die
Möglichkeit einer einfachen und exakten Einstellung des Abstandes der Rührorgane
vom Filterband, wobei letzteres direkt auf den Kufen abluft.
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Das Filterband ist im Bereich der Zonen A, B md C in einer trapezf#rmigen
Wanne 37 geführt. Der 30den 36 dieser Wanne ist durch ein Lochblech gebildet.
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Das Filterband selbst ist breiter als der Boden der Wanne und erstreckt
sich auf die Seitenwände der Wanne.
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Der Antrieb der RUhrorgane erfolgt wiederum wie im Prinzipschema
der Fig. 1 beschrieben mittels eines Elektromotors 66 und einer Zahnkranz-Zahnriementransmission
44, 45, 21a und 21b. Der Elektromotor 66 ist auf dem schwenkbaren Zwischenrahmen
27 des Maschinengestells befestigt.
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Die Unterdruckwannen 5 laufen mittels Rollen 46a und 46b auf Schienen
47a und 47b von zwei unteren Trägern 400a und 400b des Maschinengestells. Am Stutzen
16 der Unterdruckwannen ist die nicht dargestellte Absaugvorrichtung angeschlossen.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 bis 7 sind wiederum mit 20 die
gesamte Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung, mit 22a und 22b die beiden Rührorgane,
mit 23a und 23b die Achsen der beiden Rührorgane, mit 24a und 24b die halbzylinderförmigen
Abdeckhauben der beiden Rührorgane und mit 81 die Schutz- und Führungskufen bezeichnet.
Die Flüssigkeitszufuhr erfolgt in weiterer Uebereinstimmung mit den bereits beschriebenen
Anordnungen über flexible Leitungen (nicht dargestellt), wobei im einzelnen wiederum
bezeichnet sind: die flüssigkeitsdichte Drehkupplung
mit 38, die
Kanäle im Innern der Achsen mit 30 (Fig. 6), die Verteilräume mit 31, die Düsen
am Mantel der Achsen 23a und 23b mit 32a und 32b und die Scheiben auf denen die
Schaufeln 34 der Rührorgane befestigt sind mit 33. Der Antrieb der Rührorgane erfolgt
gleichfalls wieder mittels eines Elektromotors 66 über eine Zahnriementransmission
44, 45, 21a und 21b. Der Elektromotor ist direkt auf den oberen Trägern 40a und
40b des Maschinengestells befestigt und mit einer Riemenspannvorrichtung 65 verbunden.
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Einer der hauptsächlichen Unterschiede zwischen dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 2 bis 4 und demjenigen der Fig. 5 bis 7 liegt in der Art der Aufhängung.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 bis 7 sind die beiden Rührorgane 22a und 22b
in einem Rahmen 63 gelagert, der mittels sechs längenveränderlichen Bolzen an den
beiden oberen Trägern 40a und 40b des Maschinengestells aufgehängt ist. Der Bolzen
67 ist in einem Querlager 61 am Rahmen 63 angelenkt, wobei zwei zusätzliche schräge
Stellschraubenbolzen 62 eine ausreichende statische Aufhängung der Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung
an den Trägern 40a und 40b des Maschinengestells ergeben.
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Mittels der Aufhängung über den Bolzen 67 und dem am gegen-Uberliegenden
Träger 40b befestigten Stellbolzen 72, sowie den beiden Stellschraubenbolzen 62
wird eine virtuelle Drehachse parallel zu den Achsen der R]hrorgane durch den
Punkt
X gehend erzeugt. Damit hat die Vorrichtung 20 einen gewissen Freiheitsgrad in Form
einer Drehmöglichkeit um die genannte. virtuelle Drehachse. Diese Drehmöglichkeit
kann zur Einstellung eines geringen Anstellwinkels (Längsneigung) der Vorrichtung
20 gegenüber der Laufrichtung des Filterbandes (4) ausgenützt werden.
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Der gewünschte Anstellwinkel wird mittels zweier Federfeststeller
64a und 64b (Fig. 7), die je mit einer Zug-/Druckfeder 6Mabzw. 640b verbunden sind,
eirgestellt. Eine Justiermöglichkeit in der Ebene parallel zur Filterbandebene und
quer zur Laufrichtung des Filterbandes 4 besteht einseitig über den Stellbolzen
72, durch den die Achse 23b in ihrer Querlage zum Filterband eingestellt wird. Durch
entsprechendes Absenken oder Anheben des genannten Bolzens in Verbindung mit einer
zwischen dem Bolzen 72 und der Achse 23b angebrachten Feder 720 wird die Achse der
schaufelförmigen Rührorgane in gewünschter Querneigung zum Filterband 4 eingestellt.
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Die Fig. 8 zeigt die Anwendung der erfindungsgemässen Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtung
20 an einem Vakuum-
-Trommelfilter 90. Dabei taucht eine Filtertrommel
91, die mit einem Filtertuch 91a belegt und an eine nicht dargestellte Vakuumvorrichtung
angeschlossen ist, zu etwa 30% in einen die Filtertrommel relativ eng umschliessenden
Trog 98 ein. In letzterem befindet sich die zu filtrierende und zu waschende Suspension
92, die stets auf gleichbleibendem Niveau gehalten wird. Im eingetauchten Teil der
Trommel saugt der Unterdruck die Suspension an und die Flüssigkeit durch das Filtertuch
hindurch, wobei sich auf der Aussenseite des Filtertuches ein Filterkuchen 94 bildet.
Im oberen Teil 95 wird der beim Drehen der Trommel aus der Suspension gezogene Filterkuchen
durch nachgesaugte Luft entwässert und im Einflussbereich der Vorrichtung 20 wieder
aufgeschlämmt, verwirbelt und ausgewaschen. Im Bereich 96 erfolgt die erneute Trocknung
des nunmehr gewaschenen Kuchens durch nachgesaugte Luft. Mittels eines Schabers
97 wird der Kuchen, der vorzugsweise eine Dicke grösser als 4mm haben sollte, vom
Filtertuch entfernt. Die Beeinflussung der Dicke des Filterkirhens kann durch variable
Filtertrommelgeschwindigkeit, sowie variablen Unterdruck erfolgen.
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Das Trommelfilter der Fig. 8 kann auch anstelle des auf der Trommel
befestigten Filtertuchs mit einem umlaufenden Filterband ausgestattet sein. Dieses
Filterband ist zwischen der der Flüssigkeitsbehandlungszone folgenden Trocknungszone
und
dem Wiedereintauchen in die Suspension über ein Rollensystem geführt und von der
Trommel abgehoben. Das Band wird in diesem Bereich durch Umlenkung entladen und
kann anschliessend gewaschen werden.
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Die beschriebenen FlüssigI#itsbehandlungsvorrichtungen können als
mobile Einheiten konzipiert und an bereits bestehenden Filtrationsanlagen zur Steigerung
der Effizienz und zur Minderung des Flüssigkeitsbedarfs eingesetzt werden.
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In den Ausführungsbeispielen sind die Filter kontinuierlich angetrieben.
Selbstverständlich kann auch mit absatzweise angetriebenen Filtern gearbeitet werden.
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Ausserdem liegt es völlig im Rahmen der Erfindung mit ortsfesten Filtern
und sich kontinuierlich oder absatzweise bewegenden Flüssigkeitsbehandlungszonen
bzw. Flüssigkeitsbehandlungsvorrichtungen zu arbeiten. Die Behandlungsvorrichtung
ist hierzu mit einer motorisch antreibbaren Laufkatze am Maschinengestell (Schienen
40a, 40b) gelagert.
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Wesentlich ist nur, dass die Filter und die Flüssigkeitsbehandlungszone
relativ zueinander bewegbar sind.