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3SS CHRElBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Trennung von inhomogenen
flüssigen Gemischen durch ihre Filterung, insbesondere auf Verfahren zur Steuerung
eines Filters.
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Die Erfindung kann in der chemischen und in der erdölverarbeitenden
Industrie, im Hüttenwesen, in der Nahrungsmittelindustrie und in anderen Industriezweigen
benutzt werden, in denen zur Trennung von flüssigen und festen Phasen Filtriereinrichtungen
verwendet werden.
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Es ist ein Verfahren zur Steuerung von Filtern bekannt, bei dem für
die Umstellung des Filters zwecks Verrichtung von Hilfearbeitegängen der vorgegebene
Wert des Druckgefälles am Filter benutzt wird. Beim Uberschreiten dieses Wertes
wird die Filtrat ion unterbrochen und das Filter auf die Durchführung von Rilfearbeiten
eingestellt(vgl. die DE-PS Nr. 1536887, Klasse B 01 d 35/12, 1972).
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Bei diesem bekannten Steuerverfahren können aber die Änderungen von
Eigenschaften der Ausgangssuspension und des Filtermaterials beim Filtrieren nicht
berücksichtigt werden, wobei der Filtrationsvorgang früher oder später eingestellt
werden kann und der Filterbetrieb-unwirtschaftlich wird.
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Es ist auch ein Verfahren zur Drucksteuerung beim Filtrieren bekannt,
bei dem der Druck am Filter bei Änderung der Dicke der Ru'ckstandsschicht schwankt
(val. das britische Patent Xr. 1211381, Klasse B 1 D, 1970, BTR Industries Ltd.).
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Bei diesem bekannten Verfahren kann aber nicht die Tatsache berücksichtigt
werden, dab einer und derselben Rückstandsdicke je nach der Rüokstandszusawiaensetzung
verschiedene Werte
des hydraulischen Widerstandes entsprechen können
und beim Filtrieren folglich unterschiedliche Druckwerte auftreten.
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Bei einem durch eine Einrichtung realisierten bekannten Verfahren
zur Steuerung eines Filters (vgl. den sowie tischen Urheberschein Nr. 521908, Klasse
B Ol D 37/04) werden minimale Selbstkosten des Filtrationsvorganges gewährleistet,
indem die Zahl der Filterumstellvorgänge zwecks Durchführung von Hilfsarbeitsgängen
auf ein Minimum herabgesetzt wird. Bei Benutzung dieses Verfahrens können aber die
Aufwendungen für den Filtrationsvorgang selbst nicht berücksichtigt werden. Daher
kann es nur bei Produktionsprozessen erfolgreich angewandt werden, bei denen der
Aufwand für die Durchführung von HilSsarbeitsgängen viel höher als die Aufwendungen
für den eigentlichen Filtrationsvorgang liegt.
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Es ist eine Einrichtung bekannt, die ein Verfahren zur Steuerung
eines Filters nach einem der Kriterien realisiert, das den Betrieb des absatzweise
arbeitenden Filters charakterisiert (vgl. das DDR-Patent Nr. 117609, Klasse 3 Ol
d 27/00, 1969). Als solches Kriterium dient z.B. die gemittelte Leistung α
Hierbei sind: Q der Filtratverbrauch, t die Filtrationsdauer die Zeit der Durchführung
des i-ten Hilfsarbeitsganges.
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Bei diesem bekannten Verfahren wird der optimale Zeitpunkt der Festsetzung
von Hilfsarbeitsgängen beim Erreichen
des Zxtreawertes des Kriterium
(1) bestimmt.
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Dabei werden nicht ein Arbeitsgang, sondern mehrere Ililfsarbeitsgänge
vorausgesetzt, und die optimale Zeit jedes Rilfsarbeitsganges wird durch Summierung
seiner Dauer und der Dauer der vorhergehenden Hilfsarbeitsgänge ermittelt.
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Dieses Steuerverfahren gestattet es aber nicht, die Anderungen das
Filterzustands von Zyklus zu Zyklus infolge der Porenverstopfung im Filtermaterial
zu berücksichtigen und kann-für kontinuierlich arbeitende Filter nicht benutzt werden,
da dabei nur ein Arbeitszyklus des Filters in Betracht gezogen wird und nicht alle
Köglichkeiten der Filtersteuerung voll ausgenutzt werden, die sich durch Druck-
und Vakuumregelung oder durch Ausnutzung der Betriebsdauer des Filtermaterials bis
zu seinem Austausch ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung
eines Filters zu entwickeln, bei dem die Filtersteuerung nach einem Kriterium erfolgt,
das die Arbeit des Filters charakterisiert und die Wahl von Optimalwerten der Dauer
der Filtrationsvorgänge, der Anzahl von Filtrationszyklen sowie der Triebkraftgröße
zwecks Erhöhung der Effektivität und der Qualität der Filterarbeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem man beim Verfahren zur Steuerung
von wenigstens einem Filter, bei dem die Steuerung nach einem der den Filterbetrieb
charakterisierenden Kriterien erfolgt, erfindungsgemäß als solches Kriterium das
Kriterium der Effektivität des Fi'ltrationsvorganges wählt, welrohes die maximale
Filterleistun bei minimalen Selbstkosten des Filterbetriebs während einer Reihe
von Betriebszyklen
des Filters einschließlich der für den Austausch
von Filtereinsätzen erforderlichen Zeit darstellt.
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Besonders bei der Filtrat ion von zusammendrückbaren Rückständen
an kompressiblem Filtermaterial ist es zweckmäßig, den Druck und die Vakuumhöhe
beim Filtrationsvorgang nach Erreichen des Eftremwertes des Effektivitätskriteriums
dieses Filtrationsvorganges in Abhängigkeit vom Druckgefälle am Filter zu wählen.
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Bei der Steuerung von absatzweise sowie kontinuierlich arbeitenden
Filtern soll der Ubergang zur Ausführung von Rilfaarbeitsgängan nach Erreichen des
Eftremwertes des Effekt iv itätskriter iums des Filtrationsvorganges in Abhängigkeit
von der Filtrationszeit erfolgen.
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Besonders im Falle großer Aufwendungen sowie hoher Sosten der Arbeitsgänge
für die vollständige Regenerierung oder für den Austausch von Filtereinsätzen ist
es zweckmäßig', die Unterbrechung des Filterbetriebs zur vollständigen Regenerierung
der Filtereinsätze nach Erreichen des Extreswertes des Effektivitätskriteriums der
Filtration in Abhängigkeit von der Zahl der Filtrationszyklen vorzunehmen.
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Sowohl bei den absatzweise als auch bei den kontinuierlich arbeitenden
Filtern ist es zur Verbesserung der Qualität des Filtrationsprodukts sowie zur Verbesserung
der Betriebsbedingungen des Filtermaterials ratsam, den Druck und die Vakuumhöhe
beim Filtrationsvorgang proportional dem hydraulischen Widerstand des Filters mit
einem Proportioaalitätsfaktor zu wählen, welcher der Bedingung des Erreichens des
Maximalwertes des Effektivitätskrfteriums bei der Filtration entspricht.
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Besonders zur Steigerung der Filterleistung ist es zweckmäßig, die
Siltrationazeit in jedem Zyklus in umgekehrter Abhängigkeit von dem-hydraulischen
Widerstand des Filters zu wählen.
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Die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Filtersteuerung
ermöglicht eine Steigerung der Filterleistung und eine Verringerung der Selbstkosten
des Filterbetriebs durchschnittlich um 20% je nach den Bedingungen eines konkreten
technologischen Prozesses.
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Die Erfindung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen Fig.
1 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Steuerung
von Filtern gemäß der Erfindung; Fig. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zur Steuerung von drei parallel arbeitenden Filtern
gemäß der Erfindung; Fig. 3 ein Diagramm von Änderungen des Effekt iv itätskriteriums
9 des Filtrationsvorganges während einer Reihe-von Filtrierungen nach der Erfindung.
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Fig. 4 ein Diagramm von Änderungen des hydraulischen Widerstandes
und des Druckes von Zyklus zu Zyklus gemäß der Erfindung.
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Eine Suspension wird durch eine Rohrleitung 1 CFig.l) einem Filter
2 zugeführt, aus dem das Filtrat in eine Rohrleitung 3 gelangt. Mit dem Filter 2
ist eine Recheneinheit 4 zur Berechnung der Filterleistung verbunden. Diese Recheneinheit
4 und ein Filtrationszeitzähler 5, welcher die laufende
Filtrationszeit
berechnet, sowie ein'Zeitgeber 6 für die Hilfsarbeitsgänge sind an einen Rechner
7 zur Berechnung des Effektivitätskriteriums t angeschlossen. Der Ausgang des letzteren
ist mit dem Eingang eines Filtrations-Optimalzeft-Berechnunsblocks 8, mit dem Eingang
eines Triebkraft--Optimalwert-Gebers 9 und mit dem Eingang eines logischen UND-Gatters
10 verbunden. r Fiftrations-Optimalzeit-Be rechnungsblock 8 erzeugt an seinem Ausgang
ein Signal, das der optimalen Dauer t des Biltrationßvorganges entspricht.
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Am Ausgang des Triebkraft-Optimalwertgebers 9 erscheint ein Signal,
welches dem Optimalwert P* der Triebkraft des Filtrationsvorganges entspricht. Der
Ausgang des logischen UND--Gatters 10 liegt am Eingang eines Zyklenoptimalzahlgebers
11, der die optimale Filtrationszyklenzahl errechnet.
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Der letztere Geber 11 erzeugt an seinem Ausgang ein Fig nal, das der
optimalen Anzahl n@ von Filtrationszyklen entspricht.
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zur Steuerung von drei parallel arbeitenden Filtern 2, 12, 13, deren
miteinander verbundene Ausgänge an den Eingang der Rechneneinheit 4 zur Berechnung
der Filterleistung angeschlossen sind. In diesem Falle berechnet die Einheit 4 die
mittlere Leistung der erwähnten Filter.
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In Fig. 3 ist ein Diagramm von Änderungen der laufenden Leistung
Q des Filters 2 (Fig. 1) während einer Filtrationskampagne T1 sowie von Änderungen
des Effektivitätskriteriums α des Filtrationsvorganges dargestellt.
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Die Leistung
verringert sich im Laufe
der Filtrationszyklen von der Größe V1
während der Durchführung des Filtrationsarbeitsgänges in der Zeit tl des ersten
Zyklus bis auf die Größe Vn während des Ablaufs von Filtrationsarbeitsgängen in
der Zeit tn des n-ten Zyklus.
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Das Effektivitätskriterium α des Filtrationsvorganges vergrößert
sich sowohl im Laufe des Filtrationszyklus
als auch von Zyklus zu Zyklus während der Reihe von Filtrationen T1 von der Größe
α1, die dem Maximum des Kriteriums α in der Zeit t1 entspricht, bis
Zur Größe die die den b£aximalwert des Kriterium α in der Zeit darstellt.
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Der Zeitpunkt, in dem das Kriterium ç die Werte ... erreicht, bestimmt
die optimalen Zeitabschnitte t1*; t21 ... tn- der Filtrationszyklen. Der Zeitpunktin
dem das Kriterium α den Maximalwert αn-1 erreicht, bestimmt die optimale
Filtratonszykluszahl n während der Filtrationen 21 die die Zeit # für den Austausch
oder für die vollständige Regenerierung des Filtermaterials einschließt.
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Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Änderungen des hydraulischen Widerstandes
R des Filters und der Triebkraft P des Filtrationsvorganges von Zyklus zu Zyklus,
einschließlich der Filtrationszeit ti und der Zeit
für die Durchführung von Hilfsarbeitsgängen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Filters besteht
im folgenden.
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Zur Verwirklichung der optimalen Steuerung des Filters 2 (Fig. 1)
muß das Effektivitätskriterium α des Filtrationsvorganges berechnet werden.
Dann muß man den
Extremwert des Kriteriwns t nach der Zeit t der
Filtration, der Triebkraft P des Filtrationsvorganges und der Filtrationszykluszahl
n finden. Auf Grund der im Egebnis dieser Suche gefundenen Optimalwerte der Filtrationszeit
tt (Fig. 3), der Triebkraft PS (Fig. 1) des Filtrationsvorganges und der Filtrationszykluszahl
n (Fig. 3) wird das Filter 2 (Fig.1) zur Durchführung von Hilfsarbeftsgängen abgestellt.
Außerdem erfolgen die Vorgabe des Anfangswertes der Triebkraft P* des Filtrationsvorganges
und die Abstellung des Filters 2 zum Austausch oder zur vollständigen Regenerierung
der Filtereinsätze.
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Die Recheneinheit 4 berechnet die Filterleistung Vj (Fig. 3) in jedem
Zyklus, wobei die laufende Zeitzählung während der Dauer des Filtrationsarbeitsganges
mit Hilfe des Zeitzählers 5 (Fig .1) erfolgt. Der Zeitgeber 6 erzeugt ein Signal,
das der Zeit
der Hilfsarbeitsgänge proportional ist. Während des Betriebs des Filters 2 (Fig.
1) werden die Ausgangssignale der Baueinheiten 4, 5 und 6 dem Effektivitätskriteriamrechner
7 zugeführt, der das Z-fektivitätskriterium α nach der Formel
berechnet. Hierbei bedeuten Vi die Filterleistung im i-ten Zyklus, ti die Dauer
des Filtrat'ionsarbeitsganges im i-ten Zyklus,
die Dauer der Hilfsarbeitsgänge im j-ten Zyklus, die Dauer der vollständigen Regenerierung
oder des Austausches der Filtereinsätze, n die Anzahl der Filtrationszyklen bis
zur vollständigen Regenerierung oder bis zum Austausch der Filtereinsätze, K1, K2,
K3 - kostenmässige bzw.
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Zeitmassstabe der Filtration, der Hilfsarbeitsgänge der Regenerierung
oder des Austausches der Filtereinsätze (K1=K2=K3 = 1 im Falle der Realisierung
der Filtersteuerung nach dem Beistungrsmaximum).
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Der Verlauf des Effektivitätskriteriums sowohl in einem Zyklus, als
auch von Zyklus zu Zyklus ist in Fig. 3 dargestellt.
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Der Block 8, auf dessen Eingang kontinuierlich ein Signal gegeben
wird, das dem laufenden Wert des Effektivitätskriteriums α während jedes Filtratonsarbeitsganges
entspricht, fixiert den Zeitpunkt ti (Fig.3), in dem das Maximum von α in
der Zeitspanne ti erreicht wird. Nach einem dem Zeitpunkt ti entsprechenden Signal
wird das absatzweise arbleibende Filter 2 (Fig. 1) zur Durchführung der Hilfsarbeitsgänge
umgeschaltet, oder erfolgt eine Änderung der Drehzahl α) des Arbeitsorgans
des kontinuierlich arbeitenden Filters 2.
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Dabei ist die Filtrationszeit ti* im Zyklus optimal und dem hydraulischen
Widerstand R (Fig. 4) des Filters 2 (Fig.l) direkt proportional.
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Während der Durchführung der Hilfsarbeitsgänge wird der Block 8 abgeschaltet
und in den Ausgangszustand zurückgestellt, und im nächstfolgenden Zyklus wiederholt
sich alles in derselben Reihenfolge.
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Das Ausgangssignal des Blocks 8, das dem Zeitpunkt' des Erreichens
des Extremwertes durch das Kriterium α in der Filtrationszeit entspricht,
wird auch dem UND-Gatter 10 zugeführt, welches gleichzeitig ein Signal vom Effektivitätskriteriumrechner
7 erhält. Bei der Ankunft des Signals vom Block 8 liefert das UND-Gatter 10 an den
Eingang des Gebers 11 (Fig.l) ein Signal, das dem erreichten Maximalwert des Kriteriums
t (Fig. 3) entspricht. Diesgeschiet in jedem Filtrationszyklus. Der Zyklenoptimalzahlgeber
11 vergleicht die empfangenen Signale, die den Werten von % für i = l,2,...n entsprechen,
und findet unter ihnen den größten.
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Nach einem Signal, das dem Zeitpunkt des Erreichens des Maximalwertes
durch α@ entspricht, wird das Filter 2 (Fig. 1) zwecks Austausches oder vellständiger
Reaenerieruncr des Filtermaterials außer Betrieb gesetzt.
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Das Ausgangssignal des Effektivitätskriteriumrechners 7 gelangt auch
zum Eingang des Triebkraft-Optimalwertgebers 9, der den Extremwert der Funktion
des Kriterium α bei Änderungen der Triebkraft P des Filtrationsvorganges sucht
und also den Optimalwert P* der Triebkraft findet. Diesem Optimalwert P* der Triebkraft
des Filtrationsvorganges entspricht ein Wert R (Fig. 4) des Filterwiderstandes.
Auf diese Weise wird der Proportionalitätsfaktor Ki für das Verhältnis der Triebkraft
P des Filtrationsvorgauges und des Filterwiderstandes R im i-ten Zyklus ermittelt,
d.h.
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wobei Ri den Filterwiderstand im i-ten Zyklus und Pi den
Optimalwert
der Triebkraft (Druck oder Vakuum) des Filtrationsvorganges im i-ten Zyklus bedeuten.
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Nach Beendigung des Filtrationsarbetsganges stellt sich im Triebkraft-Optimalwertgeber
9 (Fig. 1) der Ausgangszustand ein, und im nächsten Zyklus erfolgt wieder die Suche
des Extremwertes des Effektivätskriteriums bei bei Änderung der Triebkraft P* des
Filtrationsvorganges. Dabei ändert sich die Größe der Triebkraft P* proportional
dem Filterwiderstand R (Fig. 4) beim Proportionalitätsfaktor Ei, der im vorhergehenden
Zyklus gefunden wurde, usw.
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Falls beim Piitr at i onsvorgazig Änderung des Widerstandes R des
Filters 2 (Fig.l) erfolgt, bleibt die Größe der Triebkraft P (Druck, Vakuum) des
Filtrationsvorganges auch konstant.
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Der Widerstand R (Fig. 4) des Filters 2 kann bei der Filtration mit
Hilfe von verschiedenen Verfahren gemessen werden. Eine der einfachsten und zuverlässigsten
Meßmetoden ist die messung des Verhältnisses des im Filter 2 während des Filtrationsvorganges
auftretenden Durckgefälles zum Filtratdurchfluß in der Rohrleitung 3 (Fig. 1).
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Bei der Steuerung des Filters 2 nach dem vorgeschlagenen Verfahren
ergeben sich folgende Vorteile: 1. Erhöhung der mittleren Filterleistung oder Verminderung
der Filterbetriebskosten je nach Bedingungen des Prozeßablaufs durchschnittlich
um 20% infolge der Berücksichtigung folgender Faktoren: a) der Abnahme der Filterleistung
von Zyklus zu Zyklus als Folge der Porenverstopfung im Filtermaterial; b) des Verhältnisses
des Zeit- oder Kostenaufwandes für
die Durchführung von Haupt-
und Hilfsarbeitsgängen sowie für die vollständige Regenerierung oder für den Austausch
von Filtere insätzen.
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2. Bessere Organisation der Arbeit im Filtrationszyklus, Verkürzung
der Arbeit mit dem "schmutzigen" Filtermaterial und maximale Ausnutzung des "reinen"
Filtermaterials mit niedrigem Widerstand.
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3. Beeinflussung der Zyklenzahl n bei der Filtration und dadurch
die höchste Wirtschaftlichkeit der Filtermaterialausnutzung, rechtzeitiger Austausch
des Filtermaterials oder seine rechtzeitige vollständige Regenerierung.
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4. Steuerung der Triebkraft P des Filtrationsvorganges und dadurch
Minderung des Energieaufwandes für ihre Brzeugung, geringere Porenverstopfung im
Filtermaterial, bessere Qualität des Filtrationsprodukts infolge verbesserter Struktur
des bei der Filtration anfallenden Rückstandes.
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Das erfindungsgemaße Steuerverfahren ksnn für beliebig aufgebaute
Filter realisiert werden, die sowohl periodisch, als auch kontinuierlich betrieben
werden.
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Dieses Steuerverfahren gewährleistet den Betrieb von Filtern unter
optimalen Bedingungen bei Verarbeitung von beliebigen Produkten und bei beliebigen
Änderungen in der Technologie der Produkterzeugung ohne vorhergehende experimentelle
Ermittlung von technologischen Biltrationsbedingungen.
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Das Steuerverfahren kann sowohl mit Hilfe von einzelnen Baueinheiten
der automatischen Steuersysteme, als auch mnerhalb eines elektronischen Rechensystems
realisiertwerden.
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Das erfindungsgemaße Steuerverfahren kann zur Steuerung
von
einer Reihe parallei betriebener Filter benutzt werden und ergibt dabei eine höhere
Effektivität infolge von geringeren Kosten des Steuersystems bei Umrechnung für
ein einzelnes Filter.
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