-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
-
zur Abtrennung von dispergiertem teilchenförmigem Material aus fluiden
Medien, die ein solches Material enthalten.
-
Es sind viele Verfahren und Vorrichtungen zum Filtrieren oder Abtrennen
von teilchenförmigen Feststoffen aus Feststoffdispersionen in fluiden Medien bekannt.
Vielleicht am besten bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen, die diskontinuierliche
(batch type) Filtrationen ermöglichen.
-
Bei diesen Filtrationen wird ein fluides Medium, in welchem Feststoffteilchen
dispergiert sind, in eine Vorrichtung mit porösen Filtereinrichtungen gegeben, welche
den Feststoff zurtickhalten, aber das fluide Medium hindurchlassen. Gegewöhnlich
wendet man Druck bzw. Vakuum an, um die Filtrationsgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Derartige Filtrationen verlaufen gewöhnlich langsam und können nicht kontinuierlich
durchgeführt werden, da die Feststoffe, die sich auf der Filtereinrichtung angesammelt
haben, entfernt werden müssen; anderenfalls vermindert sich die Filtrationsgeschwindigkeit
bis auf einen nicht mehr akzeptablen Wert.
-
Es sind auch kontinuierliche Filtrationsverfahren und -vorrichtungen
bekannt, die im allgemeinen als Ultrafiltration und Hyperfiltration bezeichnet werden,
wobei der zuletzt genannte Begriff gewöhnlich auch die umgekehrte Osmose umfaßt.
Bei der Ultrafiltration wird gewöhnlich ein Lösungsmittel von einem verhältnissraßig
hochmolekularen dispergierten oder gelösten Stoff getrennt, indem das Lösungsmittel
durch eine Membrane gepreßt wird, die für das Lösungsmittel durchlässiger ist als
fur den gelösten Stoff.
-
Gewöhnlich werden geringe Drucke <Uberdrucke) von etwa 0,7 bis
7 bar (10 bis 100 psi) angewendet, und es sind turbulente Strömungsbedingungen erforderlich,
um einen wirksamen Austausch von Lösungsmittel gegenüber dem gelösten Stoff an der
Meibranoberfläche aufrechtzuerhalten.
-
Die Hyperfiltration (umgekehrte Osmose) unterscheidet sich von der
Ultrafiltration in erster Linie hinsichtlich der Größe und des Molekulargewichts
des dispergierten bzw.
-
gelösten Stoffes. Bei dieser Methode wird das Lösungsmittel gewöhnlich
aus Lösungen von niedrigmolekularen Salzen abgetrennt, indem das Lösungsmittel bei
hohen Drucken in der Größenordnung von etwa 28 bis 140 bar (400 bis 2000 psi) durch
eine Membrane gepreßt wird. Die Eigenschaften der bei der Hyperfiltration verwendeten
Membranen sind kritischer als die der für die Ultrafiltration verwendeten Membranen,
insbesondere unter dem Gesichtspunkt, daß nur das Lösungsmittel durch die Membrane
hindurchgehen soll.
-
Membranen für die Ultrafiltration und die Hyperfiltration sind bekannt.
Sie werden normalerweise aus porösen, filmbildenden,plastomeren Werkstoffen hergestellt,
und die Membranen sind oft auf porösen verstärkenden Unterlagen oder Sieben aufgebracht.
In neuerer Zeit wurden Membranen auf porösen Unterlagen nach folgenden Literaturstellen
hergestellt: *Hyperfiltration Processing of Puln Mill Sulfite Wastes With a Membrane
Dynamically Formed From Feed Constituents" Environmental Science and Technology,
Vol. 1, No. 12, Dezember 1967 und Htnerfiltration Studies v. Salt Reäection By Dynamically
Formed Hvdrous Oxide Membranes" JACS 88:24, 20. Dezember 1967 und "Hyperfiltration"
Ind. Eng. chem.
-
Process Des. Develop., Vol. 9, No. 4, 1970.
-
Weitere Einzelheiten über Hyperfiltrationsmethoden finden sich in
Band II von "Recent Develooments In Separation Sciencew Herausgeber Chemical Rubber
Company (CRC) Press, 1972 und insbesondere in dem Artikel von J.D. Henry, Jr. auf
den Seiten 205-225 mit der Bezeichnung "Cross Flow Filtration".
Nach
diesen Arbeiten wird eine sogenannte dynamische" Membrane erzeugt, indem filmbildende
Substanzen, wie Harze, Gele und Polymere auf die Oberflächen von porösen Substraten
aufgebracht werden, um Membranen zu erzeugen, die zur Abtrennung des Lösungsmittels
von dem dispergierten oder gelösten Stoff geeignet sind. Die Bezeichnung der so
gebildeten Membranen als "dynAmische Membranen" ist vielleicht etwas irreftihrend,
da die Membranen tatsächlich statische, dauerhafte Filme darstellen, die auf der
porösen Substratoberfläche abgeschieden sind, und eine Regenerierung der Membrane
während des Betriebs offenbar erforderlich ist.
-
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Lösung der Probleme, die bei
der Abtrennung von teilchenförmigen Feststoffen aus Feststoffdispersionen in fluiden
Medien auftreten; durch die Erfindung werden neue Verfahren und Vorrichtungen zur
kontinuierlichen Filtration derartiger Dispersionen in einer besonders wirksamen
Weise zur Verfugung gestellt.
-
Erfindungsgemäß werden teilchenförmige Feststoffe von Feststoffdispersionen
in fluiden Medien dadurch abgetrennt, daß diese Dispersionen durch Filtereinrichtungen
geleitet werden, die mindestens ein festes, poröses röhrenförmiges Element enthalten.
Besonders bevorzugte röhrenförmige Elemente sind aus Metall hergestellt, insbesondere
aus gesintertem, korrosionsbeständigem Stahl; sie besitzen eine kontinuierliche,
poröse Oberfläche. Diese gesinterten röhrenförmigen Elemente aus korrosionsbeständigem
Stahl sind bekannte Handelsprodukte und werden z.Zt. als wLuftwalzen" (air rolls)
verwendet.
-
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Beobachtung, daß feste,
poröse, röhrenförmige Elemente des vorstehend beschriebenen Typs eine wirksame,
kontinuierliche Filtereinrichtung zur Abtrennung von teilchenförmigen Feststoffen
aus Feststoffdispersionen in fluiden Medien ergeben. Diese röhrenförmige Elemente
sind besonders wirksam bei der Abtrennung von teilchenförmigen Feststoffen mit einer
Teilchengrößeverteilung zwischen etwa 0,1 und etwa 50/um, insbesondere von etwa
0,1 bis 30/um, aus Dispersionen dieser Teilchen in fluiden Medien, z.B. Gasen oder
Flüssigkeiten.
-
Vorzugsweise enthält die Filtereinrichtung mindestens ein, vorzugsweise
jedoch mehrere röhrenförmige poröse Elemente aus Metall mit gemeinsamer Zu- und
Ableitung. Die röhrenförmigen Metallelemente können eine Porengröße (micron rating)
von etwa 0,5 bis 5/um haben; dies bedeutet, daß die Elemente Teilchen mit einer
Größe, die der Porengröße entspricht, oder darüberliegt, nicht hindurchlassen. Bei
dem bevorzugten Verfahren bzw. der bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung sind
ferner Maßnahmen bzw. Mittel zum Hindurchleiten der Feststoff-Fluid-Dispersion durch
das (oder die) poröse(n) Element(e) und zum Zirkulieren der Dispersion durch diese
Elemente,bis der gewünschte Trennungsgrad erreicht ist, vorgesehen.
-
Eines der besonders überraschenden Merkmale des Verfahrens und der
Vorrichtung gemäß der Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß poröse Elemente,
deren Poren größer sind als der Teilchendurchmesser einiger der dispergierten Feststoffteilchen,
mit Erfolg verwendet werden können. Anders gesagt: Es können poröse röhrenförmige
Elemente, deren Porengröße höher ist als die einiger dispergierter Feststoffteilchen,
verwendet werden, um Dispersionen dieser Teilchen zu filtrieren und diese kleineren
Teilchen wirksam
innerhalb der Begrenzungen des röhrenförmigen
Elements zurUckzuhalten. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß poröse,, röhrenförmige
Elemente mit Porengrößen, die etwa zwanzigmal so groß sind wie die Teilchendurchmesser
einiger dispergierter Teilchen, diese Teilchen innerhalb ihrer Begrenzungen wirksam
zurUckhal ten können.
-
Der tatsächliche Mechanismus der bei der erfindungsgemäßen Filtration
wirksam wird, ist noch nicht genau bestimmbar.
-
Es ist jedoch davon auszugehen, daß sich dieser Mechanismus grundlegend
von dem Mechanismus unterscheidet, der bei den vorstehend genannten dynamischen"
Membranen wirksam wird.
-
Man nimmt an, daß bei diesem Flitrationsiechanismus im wesentlichen
eine Teilverstopfung der einzelnen Poren stattfindet, da die Bildung eines kontinuierlichen
Films oder einer Membrane des dispergierten Stoffes auf der Innenfläche des röhrenförmigen
porösen Elements wahrscheinlich nicht stattfindet. Stattdessen enthält Jede Pore
offenbar eine bestimmte Population von Einzelteilchen, die kleiner sind als der
Innendurchmesser der Poren. Diese kleineren Teilchen sind wahrscheinlich in der
Pore beweglich, verstopfen jedoch die Pore teilweise; sie verhindern den Durchtritt
der Teilchen durch die Pore und ermöglichen nur den Durchtritt des Lösungs- bzw.
Dispergiermittels. Man nimmt ferner an, daß sich die Population der Teilchen in
Jeder Pore stetig ändert, d.h. die einzelnen Teilchen, die in der Pore sitzen, werden
dauernd durch andere Teilchen der Dispersion, die durch das röhrenförmige Element
zirkuliert wird, verdrängt und ersetzt.
-
In der Praxis der Erfindung kann die Ausbildung eines wirksamen Porenstopfmechanismus'
(pore plugging mechaniam) des vorstehend angegebenen Typs am besten durch Bezugnahme
auf die Durchflußrate" (flux rate), d.h. die Filtrationsgeschwindigkeit (volumen
pro Zeit- und Flächeneinheit) bestimmt werden. Beispielsweise beobachtet man zu
Beginn der
erfindungsgemäßen Filtration, wenn einige der Teilchen
kleiner als der Porendurchmesser sind, oft einen Abfall der Durchflußrate in Verbindung
mit dem Durchtritt kleinerer Teilchen durch die Poren. Innerhalb einer kurzen Zeit
läßt jedoch der beobachtete Abfall der Durchflußrate nach, und es treten auch keine
kleineren Teilchen mehr durch die Poren hindurch. Die Abnahme der Durchflußrate
ist während der Zeit, die zur Ausbildung eines wirksamen Porenstopfmechanismus erforderlich
ist, d.h. das Zeitinkrement zwischen dem Beginn und dem Zeitpunkt, an dem der Abfall
der Durchflußrate abnimmt, ist ziemlich schnell. Die gesamte Verminderung der Durchflußrate
ist jedoch gewöhnlich nicht signifikant, und sobald sich der Porenstopfmechanismus
eingespielt hat, kann er über eine verhältnismäßig ausgedehnte Betriebsdauer wirksam
aufrechterhalten werden.
-
Die Erfindung ist durch die Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1
ein i'liei3diagramm einer vereinfachten Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
lig. 2 bis 4 graphische Darstellungen der in den Beispielen 2 bis 4 erhaltenen Ergebnisse.
-
In lig. 1 ist ein Diagramm einer Anordnung einer bevorzugten Vorrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung nach lig. 1 enthalt im wesentlichen
ein poröses röhrenförmiges lilterelement 1, d.i. ein poröses llohr aus korrosionsbeständigem
Stahl (Porengröße 2/um, Abmessungen 6,3 x 455 x 1,6 mm).
-
I)as lilterelement 1 ist von einem praktisch luftdichten Druckgehäuse
oder einer Kammer 2 umgeben, die in erster Linie dazu verwendet wird, um das Filtrat
vom Filterelement 1 zu sammeln. Wie jedoch später noch erläutert wird, wird ein
unter Druck stei>endes fluides Medium, vorzugsweise ein Gas, Uber das Ventil
3 periodisch in die Kammer 2 eingelassen, wobei tinn Ventil (> vorzugsweise geschlossen
wird.
-
I)urch die periodische Einführung eines Druckmediums in die Kammer
2 werden die Poren des Filterelements 1 von riickwärts "gespült" oder durchblasen,
so daß fiber eine liingere ne triebsdauer der Vorrichtung ein wirksamer "Porenstopfmechanismus"
aufrechterhalten werden kann.
-
I)ie in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung wurde zum Waschen wid Konzentrieren
von wäßrigen oder im wesentlichen wäßrigen Dispersionen von teilchenförmigen blaugrünen,
purpurnen und gelben Entwicklerfarh toffen verwendet. flt i der Herstellung dieser
Entwicklerfarbstoffe liegt das Endprodukt in Form eines feuchten Kuchens von Farbstoffteilchen
vor, die fiir eine wirksame Endanwendung gewaschen und zerkleiner werden müssen.
Erfindungsgemäß werden die Farbstoffteilchen zuerst gelöst und dann wieder ausgefällt,
so daß eine Dispersion mit einer bestimmten Teilchengrößeverteilung erhalten wird.
Dann läßt man die Dispersion oder Suspension durch eine Vorrichtung des in Fig.
1 dargestellten ryps zirkulieren, um das Flüssigkeitsvolumen der Suspension zu vermindern
und den Anteil der Feststoffe auf den gewünschten Wert zu erhöhen. Die Suspension
wird dann zwei unterschiedlichen Verfahrensschritten unterworfen. Beim ersten Verfahrensschritt
wird das Produkt gewaschen, indem das fluide Medium kontinuierlich von der Suspension
abfiltriert wird, wobei der zirkulierenden Suspension kontinuierlich frische Waschflüssigkeit
zugesetzt wird, bis der gewünschte iteinheitsgrad erreicht ist. Auf der zweiten
Verf<ihrensstufe wird die Dispersion konzentriert, wobei eine Dispersion mit
einer Teilchengröße und Teilchenkonzentration erhalten wird, die gut verschickt
und gelagert werden kann und derer Teilchen leicht in geeigneten Matrixmaterialien
verteilt werden können, so daß Schichten mit photographischen Entwicklerfarbstoffen
erhalten werden, die schließlich in photographische Filmeinheiten eingebaut werden.
-
Beim ersten Verfahrensschritt, d.h. beim Waschen, enthält die >uspeiisL.on
ein (;emisch mit einem kleineren Anteil an Primärteilchen und einem größeren Anteil
an geflockten Teilchen oder Agglomeraten, die aus den Primär-Farbstoffteilchen zusammengesetzt
sind. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser in der Suspension betrigt etwa 3
µm, doch kann die Teilchengrößeverteilung zwischen etwa 0,1 und etwa 50 µm liegen.
Unter durchschnittlicher Teilchengröße versteht men, daß der größere Anteil der
Teilchen die angegebene Größe hat, obg@eich ein geringerer Anteil an Teilchen mit
größerem oder Kleinerem Durchmesser vorhanden sein kann.
-
Suspensionen mit durchschnittlichen Teilchendurchmessern von etwa
3 µm werden besonders bevorzugt, da Teilchen mit dieser Größe nach der Konzentration
wirksamer in Matrixmaterialien verteilt werden können und bessere Elgenschaften
als Entwlcklerfarbstoffe in den sie enthaltenden Schichten haben.
-
Bei einem beispielshaften Filtrationsverfahren gemäß der Erfindung
wird der "Porenstopfmechanismus" während derjenigen Zeit erreicht, in welcher die
Suspension durch die Vorrichtung zirkulieren gelassen wird, um das Volumen des fluiden
Mediums zu vermindern. Ein wirksamer "Porenstopfmechanismus" macht sich, wie schon
erwähnt, am deutlichsten anhand der Durchflußrate bemerkbar, die zu Beginn ziemllch
schnell abfällt, wobei während dieses Abfalles oft der Verlust von etwas teilchenförmigem
Material durch das poröse röhrenförmige Element beobachtet wirtl. Die Abnahme der
Durchflußrate setzt sich jedoch nicht über einen längeren Zeitraum hin fort, sondern
erreicht innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeit einen im wesentLichen konstanten
Wert. An diesem Gleichgewichtspunkt bildet sich ein effektiver "Porenstopfmechanismus'1aus,
und man beobachtet keinen weiteren Verlust von Teilchen durch das poröse Element
mehr. Sobald sich der Porenstopfmechanismus eingespielt hat, bleibt die Durchflußrate
praktisch konstant, wobei aber ein weiterer geringer
Abfall beobachtet
werden kann, insbesondere bei längeren Betriebszeiten. Nach einer bevorzugten Ausführnngsform
der Erfindung wird deshalb dafür gesorgt, daß die Durchflußrate periodisch wieder
auf denJenigen Wert eingestellt oder auf diesem Wert gehalten wird, der die Ausbildung
eines wirksamen Porenstopfmechanismus" anzeigt. Zu diesem Zweck wird beispielsweise
eine Rückspülung mit an sich bekannten Vorrichtungen durchgeftihrt.
-
Die Suspension wird anschließend gewaschen, wobei es sich im wesentlichen
um eine kontinuierliche Verdünnung des fluiden Mediums der urspruziglichen Suspension
durch stetige Zugabe einer frischen Flüssigkeit zur Suspension handelt, wobei die
Suspension durch die porösen röhrenförmigen Elemente zirkulieren gelassen wird,
bis der gewünschte Reinheitsgrad erreicht ist.
-
Während der zweiten Verfahrensstufe, d.h. der Konzentration, bleibt
die Teilchendurchmesserverteilung der dispergieSæn Teilchen etwa gleich, doch wird
gewöhnlich ein oberflächenaktives Mittel zu der Suspension gegeben, um bei zunehmender
Konzentration eine Viskositätserhöhung zu verhindern. Die Konzentrierungsoperation
besteht im wesentlichen darin, daß die Suspension durch die röhrenförmigen Elemente
zirkulieren gelassen wird, ohne daß weiteres fluides Medium zugesetzt wird, bis
die gewünschte Konzentration erreicht ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß während
der beiden Operationen, d.h. während des Waschens und während des Konzentrierens,
Teilchen mit einer kleineren Größe als der l'orendurcisesser in der Suspension vorhanden
sind. Infolge der Betriebsbedingungen kann jedoch die tatsächliche Konzentration
dieser kleineren teilchen in der Suspension zu einem bestimmten Zeitpunkt während
des Betriebs nicht genau bestimmt werden.
-
Einzelheiten der Erfindung und ihrer Durchführung sind in den nachstchenden
Beispielen in Ver>indung mit den Figuren 1 bis 4 zur Frlbllterung angegebell.
-
Beispiel 1 Eine Suspension eines blaugrünen Metallkomplex-Entwicklerfarbstoffes
des in der USA-PS 3 482 972 beschriebenen Typs kann durch Auflösung von etwa 50
g Entwicklerfarbstoff in etwa 750 ml Methylcellosolve und anschließende Ausfällung
des Farbstoffes durch Zugabe der Lösung zu etwa 4,75 Liter Wasser mit einem pH-Wert
von 2,0 bis 2,2 hergestellt werden.
-
Nach der in Fig. 1 dargestellten Arbeitsweise werden etwa 19 Liter
(5 gall) der Dispersion oder Suspension eines photographischen Entwicklerfarbstoffs
in den Suspensionsbehälter eingefüllt. Die Suspension enthält etwa 1 Gew.-,' Farbstoff,
dispergiert in einem fluiden Medium, das ein Gemisch aus Wasser und Methylcellosolve
darstellt; der durchschnittliche Teilchendurchmesser des dispergierten Farbstoffes
beträgt 3/um, wobei die Teilchengrößeverteilung des dispergierten Farbstoffes etwa
0,1 bis etwa 50/um beträgt.
-
Das Flüssigkeitsvolumen wird dann dadurch vermindert, indem man die
Suspension durch das Filterelement 1 zirkulieren läßt, und zwar zunächst ohne Gegendruck
mit einer Fließgeschwindigkeit von mehr als etwa 3 m/sec., vorzugsweise bei einer
Fließgeschwindigkeit von etwa 3,7 m/sec. (12 ft./sec.).
-
Dann wird das Austrittsventil 4 geschlossen, bis man am Eingangs-Druckmeßinstrument
7 einen Ueberdruck von etwa 1,52 bis 1,65 bar (22 - 24 psi) feststellt. Man läßt
die Suspension ohne Zusatz von Waschflüssigkeit, z.B. von destilliertem Wasser,
weiter zirkulieren, bis der Druck am Eingangsinstrument 2 leicht zunimmt, z.B. auf
etwa 1,8 bis 1,93 bar (26 - 28 psi). Stellt man die Druckzunahme fest, so setzt
man dem Behälter destilliertes Wasser zu, und zwar in einer Menge, die der durch
das poröse Rohr entfernten Flüssigkeitsmenge entspricht. Die Zirkulation der Suspension
und der Zusatz von destillierten Wasser werden so lange fortgesetzt, bis der gewünschte
Reinheitsgrad erreicht ist.
Während der vorstehend beschriebenen
Waschoperation bleibt der Eingangsdruck über einen längeren Zeitraum hin praktisch
konstant. Nach einem weiteren Zeitraum, z.B. nach einer Stunde oder länger, beobachtet
man häufig eine progressive Zunahme des Eingangsdruckes. Mit der in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung wurde festgestellt, daß die gesamte optimale Leistungsfähigkeit beeinträchtigt
wird, wenn der Eingangsdruck auf mehr als etwa 2,1 bar (30 psi) ansteigen gelassen
wird. Es sind deshalb Mittel vorgesehen, um die Poren des Yilterelements 1 zu spielen
oder zu reinigen, so daß der Eingangsdruck zwischen etwa 1,38 und 2,1 bar (20 -
30 psi) gehalten wird. Die Rückspüleinrichtung wird im wesentlichen dadurch in Betrieb
gesetzt, daß man das Ventil 3 öffnet, um Stickstoff mit einem Überdruck von etwa
2,5 bar (50 psi) in die Kammer 2 einzufilhren. Das Ventil 6 bleibt während des ItUckspülens
vorzugsweise geschlossen. Die Öffnung des Ventils 5 fiir etwa 5 Sekunden reicht
gewöhnlich aus, iim die Poren des Elements soweit zu spülen, daß der Druck schnell
auf einen optimalen Wert herabgesetzt wird. Bei größeren Filtersystemen ist die
Spüleinrichtung mit anderen Elementen integriert, so daß sie automatisch intermittierend
in bestimmten Zeitabständen in Betrieb gesetzt werden kann.
-
Nach Beendigung des Waschens wird dem Suspensionsbehälter vorzugsweise
ein oberflächenaktives Mittel zugesetzt, um die Viskosität der Suspension während
der Konzentrlerung niedrig zu halten. Die Menge des zugesetzten oberflächenaktiven
Mittels kann schwanken, wobei jedoch gewöhnlich 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Suspension,
ausreichend sind. Nach Mintührung des oberflächenaktiven Mittels wird die Durch@@@ßrate
(Filtrationsrate) während der Konzentrierung gewohnlich vermindert, und zwar in
erster Linie deshalb, well die agglomerierten Teilchen aufgebrochen werden. Die
Zirkulation der Suspension durch das Filterrohr wurde solange fortgesetzt, bis die
Konzentration des Farbstoffes in der Suspension etwa 11 Gew.-% betrug. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird die Rückspülung während der
Konzentrierungsstufe gewöhnlich unterlassen, und man kann weiteres oberflächenaktives
Mittel zusetzen, um dessen Konzentration im fluiden Medium auf etwa 5 Gew.-% zu
halten. Diese Konzentration des oberflächenaktiven Mittels in der Suspension reicht
gewöhnlich aus, um eine nennenswerte Druckerhöhung während der Konzentrierung zu
verhindern.
-
Suspensionen von Entwicklerfarbstoffen, die in der vorstehend angegebenen
Weise gewaschen und konzentriert wurden, genügen nach Beendigung der Operation,
den nachstehend angegebenen Anforderungen, bzw. übertreffen diese sogar: Feststoffgehalt
der konzentrierten Suspension # 9,5 % Ausbeute, bezogen auf ursprilnglichen festen
Farbstoff > 9'5 () Beispiel 2 Aus den nachstehenden Werten ergibt sich, daß die
"Porestopfmechanismus" der wirksame Mechanismus gemäß der Erfindung ist. Der wichtigste
Unterschied zwischen einer Filtration nach dem "Mechanismus der dynamischen Membrane"
und dem "Porenstopfmechanismus" ist die Abhängigkeit der Durchflußrate (Filtrationsgeschwindigkeit
als Volumen pro Zeit-und Flacheneinheit) von den Strömungsbedingungen. Bei dem "Mechanismus
der dynamlschen Membrane" nimmt die Dicke der durch die Massenubertragung begrenzten
Grenzuchicht mit steigender Fileßgeschwindigkeit (flow rate) (Reynold'sche Zahl)
ab, wodurch die Durchflußraten (flux rates) zunehmen.
-
Dieses Zerhalten ist bei einem einzigen "Porenstoptmechanismus" nicht
zu erwarten, ausgenommen bei außerst geringen Fließgeschwindigkeiten, bei denen
ein nennenswerter Aufbau eines Filterkuchens an der Oberfläche aufbreten kann, wodurch
die Durch@@ußrate (Durchtrittsrate) abnimmt.
-
Es wurden mehrere Versuche durchgeftlhrt, um den Einfluß der Anderung
der Fließgeschwindigkeit zu bestimmen. Es wurden sowohl eine kleine experimentelle
Vorrichtung, bestehend aus einem einzigen porösen Rohr (Porengröße 2/um, Abmessungen
6,3 x 455 x 1,6 mm) als auch eine größere Einheit mit 19 Rohren (Porengröße 2/um,
Abmessungen 6,3 x 455 x 1,6 mm) bei diesen Versuchen verwendet. Beide Vorrichtungen
war so konstruiert, daß der Druck, die Temperatur und die Strömungsbedingungen unabhängig
voneinander verändert werden konnten. Fig. 2 zeigt die typischen Ergebnisse eines
Versuchs, bei dem die Fließgeschwindigkeit ( ReynoldXsche Zahl) variiert wurde,
während die anderen Variablen konstant gehalten wurden.
-
Es ist erkennbar, daß die Strömungsgeschwindigkeit einen kaum erkennbaren
Einfluß auf das Verhalten der Vorrichtung Uber den Reynold-Bereich von 2000 - 9400
hat. Bei anderen Untersuchungen wurde der Bereich auf 500 t NRe L 17.700 ausgedehnt,
wobei sich das gleiche Verhalten zeigte. Diese Ergebnisse dUrften deutlich zeigen,
daß erfindungsgemäß der Porenstopfmechanismus" und nicht der "Mechanismus der dynamischen
Membrane" auftritt.
-
Beispiel 3 Ei wurden mehrere Versuche in der Vorrichtung von Fig.
1 durchgeführt, um die wichtigen Verfahrensvariablen zu ermitteln und die Betriebseigenschaften
festzustellen. Von besonderem Interesse ist der Durchpreßdruck" (average pressure
driving force) Zy~~ PH (Druckdifferenz zwischen den Membranseiten; TM = Transmembrane
Pressure) auf die Durchflußraten. Da die Wirksamkeit des Verfahrens direkt mit der
Größe der Durchflußrate in Beziehung steht, wird dieser Parameter als die wichtigste
Variable angesehen.
-
Der durchschnittliche Durchpreßdruck für das röhrenförmige Filterelement
ist wie folgt definiert:
worin Pein und Paus den Eingangs- bzw. den Ausgangsdruck und Ph den hydrostatischen
Gegendruck, der der Strömung auf der Filtratseite der Einheit entgegenwirkt, bedeuten.
-
Fig. 3 zeigt typische Ergebnisse eines Versuchs, bei dem variiert
wurde, wobei die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur und die Konzentration
konstant gehalten wurden.
-
Man erkennt, daß eine genaue lineare Beziehung zwischen der Durchflußrate
und AP besteht. Dieses Verhalten läßt sich nach dem Konzept des "Porenstopfmechanismus"
erklären, bei dem kein wesentlicher Aufbau von Filterkuchen an der Oberfläche stattfindet,
d.h. die Oberfläche wird durch die Strömung im röhrenförmigen Element relativ sauber
gehalten.
-
Von den bedeutenden Verfahrensvariablen, die leicht geregelt werden
können (Durchpreßdruck und Strömungsgeschwindigkeit) zeigen die vorstehenden Ergebnisse,
daß iSP die kritische Verfahrensvariable ist.
-
Beispiel 4 Fig. 3 zeigt, daß das Verfahren bei dem praktisch höchsten
Durchpreßdruck durchgeführt werden sollte, um die Durchflußrate (Filtrationsrate)
möglichst hoch zu halten. Fig. 4 zeigt die Werte, die während eines Versuchs mit
der Apparatur von Fig. 1 erhalten wurden. Während die anderen Variablen konstant
gehalten wurden, wurde a P zunächst, ausgehend von etwa 0,345 bar (10 PSIG) erniedrigt
(erste Serie mit abnehmendem Druck), wobei sich die erwartete lineare Korrelation
ergab. Dann wurde die Druckdifferenz stufenweise auf etwa 1,66 bar (24 PSIG) erhöht
(erste Serie mit zunehmendem Druck), wobei eine interessante Erscheinung beobachtet
wurde: Die Kurve der Durchflußrate begann sich bei etwa 1,38 bar (20 PSIG) abzuflachen.
-
Bei abnehmendem Druck (zweite Serie mit abnehmendem Druck) ergab sich
eine neue Arbeitskennlinie, die aber bei gleichen Drucken niedrigere Durchflußraten
als ursprunglich zeigte.
-
Wurde die Druckdifferenz auf etwa 2,94 bar (42,5 PSIG) erhöht (zweite
Serie mit zunehmendem Druck), wurde ein ähnliches Verhalten beobachtet, das aber
noch stärker ausgeprägt war als bei der ersten Serie mit zunehmendem Druck. Es gibt
Anhaltspunkte dafür, daß oberhalb eines Schwellenwerts von etwa 1,38 bis 1,74 (20
bis 25 PSIG) fUr den durchschnittlichen Durchpreßdruck" eine progressive Porenverstopfung
auftritt, die die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung beeinträchtigt. Aus den obigen
Werten ergibt sich somit, daß bei einem 4 P zwischen etwa 1,04 und etwa 1,74 bar
die gunstigsten Durchflußraten erhalten werden.
-
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß mit Hilfe der Vorrichtung
und des Verfahrens gemäß der Erfindung eine wirksame Filtration von Feststoffdispersionen
in fluiden Medien auf eine wirklich kontinuierliche Weise durchgeführt werden kann.
Mit Hilfe des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird Uberraschenderweise
eine wirksame Filtration von Dispersionen von Teilchen erzielt, deren Durchmesser
größenordnungsmäßig etwa 20 Mal geringer sein kann als die Porengröße der röhrenförmigen
Elemente, und diese Filtration kann unter Anwendung verhältnismäßig niedriger Drucke,
zB. bei Drucken von weniger als etwa 3,5 bar (50 psi) durchgefuhrt werden. Das Verfahren
und die Vorrichtung gemäß der Erfindung können bei der Filtration von Feststoffdispersionen
angewendet werden, bei denen alle Teilchen bzw. nur einige der Teilchen Durchmesser
haben, die kleiner sind als die Porenweiten der röhrenförmigen Elemente. Das Verfahren
und die Vorrichtung sind besonders wirksam bei der Filtration von Dispersionen mit
einem Feststoffgehalt von nicht mehr als etwa 20 G.w.-%, wobei die Viskosität der
Dispersion etwa 20 bis etwa 850 Centipoise bei etwa 300C betragen kann; diese Temperatur
ist die bevorzugte Arbeitstemperatur.
-
Wie schon gesagt, wurde das Filtrationsverfahren und die zugehörige
Vorrichtung mit Erfolg beim Waschen und Konzentrieren von hauptsächlich wäßrigen
Dispersionen von photographischen Farbstoffen angewendet. Bei dieser Anwendung kann
mit einer großen Anlage mit mehreren Filtereinheiten, die eine poröse Filterfläche
von etwa 5m2 (54 ft.2) haben, ein Wasch- und Konzentrierzyklus mit einer Dispersion
von etwa 50 kg Farbstoff in etwa 10 Stunden durchgeführt werden.
-
Bisher betrug die zur Durchführung dieser Arbeitsschritte erforderliche
Zeit etwa 100 Stunden, wenn Ultrafilter verwendet wurden, und 50 Stunden, wenn Festbettfilter
verwendet wurden. Im Gegensatz dazu sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäß
der Erfindung verhältnismäßig billig, unkompliziert und leicht zu handhaben, und
diese Arbeitsschritte werden in einer besonders wirksamen und kontinuierlichen Weise
durchgeführt. Beispielsweise können die Filtereinheiten leicht in üblicher Weise
und mit üblichen Reinigungssubstanzen gereinigt werden, so daß unterschiedlich gefärbte
Farbstoffe in der beschriebenen Weise verarbeitet werden können. Mit der vorstehend
beschriebenen größeren Anlage konnten bisher mindestens 250 Filtrations-und Konzentrierungsoperationen
durchgeführt werden, und zwar mit unterschiedlichen Farbstoffdispersionen, ohne
daß die verwendeten Filtereinheiten ersetzt werden mußten.
-
L e e r s e i t e