DE4431214A1

DE4431214A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Filterleistung von Filtrationsmaterialien

Info

Publication number: DE4431214A1
Application number: DE19944431214
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Meier; Georg Anton Dipl Ing Wieser
Original assignee: BASF Lacke und Farben AG
Current assignee: BASF Coatings GmbH
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-07
Also published as: WO1996007463A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Vorrichtung zum Bestimmen der Fil terleistung von Filtrationsmaterialien.

In der Industriepraxis stellt sich häufig die Aufgabe zu untersuchen, mit welchem Filter Fluide, die durch Schmutz, Krater, Stippen, Gelteilchen u.ä. verunreinigt sind, in der Produktion gefiltert werden können. Ein geeigneter Filter muß neben der ausrei chenden Trennung auch einen hohen Fluiddurchsatz zulassen und darf zudem nicht zu schnell verstopfen. Bisher sind solche Tests arbeits-, zeit- und kostenaufwendig, da sie im Technikumsmaßstab durchgeführt werden müssen. Insbesondere im Be reich der Lackindustrie bereiten die Filtrationsversuche Probleme. Hier werden die je weiligen Tests mit ca. 25 Litern Lack über eine Filterfläche von 0,051 m² durchgeführt. Die Durchführung derartiger Versuche inklusive Aufbau, Filtration, Reinigung und Ab prüfung dauern derzeit bis zu zwei Tagen, wenn die Wirksamkeit von beispielsweise nur vier verschiedenen Beutelfiltern getestet werden soll.

Um den derzeit bestehenden hohen Arbeits- und Materialaufwand für diese Versuche zu verhindern und zugleich Ergebnisse zu erhalten, die eine Übertragung vom La bormaßstab auf großtechnische Verfahren erlauben, war es demgemäß die Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Bestimmen der Filterleistung von Filtrationsmaterialien zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

a) die Vorrichtung aus einer Filtertestkammer besteht,
b) die Filtertestkammer in Form von zwei geraden Kegeln oder zwei regelmäßi gen Pyramiden ausgestaltet ist, die über ihre Grundflächenebenen miteinander verbunden sind,
c) in der Verbindung der Grundflächenebenen eine Aufnahmevorrichtung für das Filtrationsmaterial angeordnet ist,
d) an der einen Kegel- bzw. Pyramidenspitze der Zufluß für die zu filtrierende Flüssigkeit und
e) an der anderen Kegel- bzw. Pyramidenspitze der Abfluß für das Filtrat ange bracht ist.

Grundsätzlich wird die Vorrichtung als vertikal stehendes Gefäß betrieben, d. h. die Kegel- bzw. Pyramidenspitzen weisen in vertikaler Richtung nach oben bzw. nach unten. Es ist aber prinzipiell möglich, die Vorrichtung in jeder beliebigen anderen Lage zu betreiben.

Bei den genannten Kegeln handelt es sich vorzugsweise um Kreiskegel. Denkbar sind jedoch auch eliptische Kegel oder andere Kegelformen.

Die genannten Pyramidenformen beziehen sich auf solche, deren Grundfläche ein re gelmäßiges Vieleck bildet. Die betreffenden Grundflächen können demgemäß die Form von Dreiecken, Quadraten, Sechsecken usw. haben.

Erfindungsgemäß ist es ebenso möglich, anstelle der genannten Kegel und Pyrami den auch Kegel- und Pyramidenstümpfe einzusetzen. In diesem Falle ist die kleinere Fläche des Stumpfes in der Position der vorgenannten Kegel- und Pyramidenspitzen anzuordnen.

Erfindungsgemäß weisen die Kegel- und Pyramidenspitzen in entgegengesetzte Richtungen. Beide Kegel bzw. Pyramiden können somit eine gemeinsame Grundflä che aufweisen. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, die Grundflächen mit Abstand zueinander anzuordnen. Die Verbindung zwischen den beiden Kegeln bzw. Pyramiden wird in diesem Falle durch ein zylinderförmiges Zwischenstück hergestellt, dessen Grundfläche der der Kegel bzw. Pyramiden entspricht.

In der Grundflächenebene der Kegel bzw. Pyramiden bzw. in dem zylinderförmigen Zwischenstück wird erfindungsgemäß vorzugsweise eine flüssigkeitsdurchlässige Platte angeordnet, auf die das zu testende Filtermaterial gelegt wird. Der hydraulische Widerstand der Platte sollte so gering wie möglich sein. Im einfachsten Falle ist die Platte zumindest teilweise mit Perforationen versehen.

Es ist jedoch auch möglich, das zu testende Filtermaterial auf jede andere Art zu be festigen. Einzige Voraussetzung ist, daß die Durchströmungsgeschwindigkeit durch das Filtermaterial nicht übermäßig gedrosselt wird. So kann beispielsweise das Fil termaterial mittels an der Innenwand der Filtertestkammer angeordneter Klemmvor richtungen befestigt werden.

An dem Zufluß zur Filtertestkammer wird vorzugsweise ein Flüssigkeitsvorlagebehäl ter angeordnet. Dieser kann mit der Filtrationskammer fest verbunden sein oder auch abnehmbar gestaltet sein.

Der Flüssigkeitsvorlagebehälter ist in seinem unteren Bereich vorzugsweise in Form eines geraden Kegels oder einer regelmäßigen Pyramide konstruiert, in deren Spitze der Abfluß zur Filtertestkammer angeordnet ist. Im übrigen kann der Vorlagebehälter zylinderförmig gebaut sein. Wichtig für die Auslegung des Vorlagebehälters ist, daß dieser druckfest gestaltet ist, da erfindungsgemäß das Fluid vorzugsweise unter Druck in die Vorrichtung gegeben wird.

Der Vorlagebehälter und die Filtertestkammer sollen ein Volumen von zusammen 300-600 ml aufweisen. Bevorzugt werden 400-500 ml.

Die zur Verfügung stehende Filterfläche liegt bei 0,0005-0,001 m², vorzugsweise bei 0,0006-0,0008 m². Ganz besonders bevorzugt werden 0,0007 m².

Zur Durchführung des Testverfahrens wird das Filtrationsmaterial in die erfindungs gemäße Vorrichtung eingesetzt. Die zu filtrierende Flüssigkeit wird durch den Zufluß hineingegeben, durch das Filtrationsmaterial hindurchgeleitet und über den Abfluß abgeführt.

Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise die Flüssigkeit von dem Vorlagenbehälter in die Filtertestkammer gegeben. Der zugeführte Überdruck liegt bei 0,1-2 bar, vor zugsweise 0,1-0,5 bar.

Das aus der Filtertestkammer abfließende Filtrat wird in einem Probensammelgefäß aufgefangen. Dies ist auf einer Waage angeordnet. Mit Hilfe des Meßergebnisses läßt sich die Durchflußgeschwindigkeit bzw. die Filterleistung L errechnen:

L (kg/h) = v_L · 3,6/x F

wobei v_L = ermittelter Fluidsatz in g/s,
X = Filterfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung in m²,
F = Filterfläche im Produktionsmaßstab in m² ist.

Die Fluidmenge, nach deren Filtration der Filter im Produktionsmaß verstopft, kann mit Hilfe folgender Gleichung abgeschätzt werden:

M(kg)=m/X F · 1000

wobei m die durchgesetzte Fluidmenge in g ist, nach der der Filter beim erfin dungsgemäßen Verfahren verstopft.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das mit ihrer Hilfe durchgeführte Verfahren finden vor allen Dingen für die Bestimmung der Filterleistung von Filtrationsmaterialien Verwendung, die für Hochviskose-Flüssigkeiten eingesetzt werden. Insbesondere sind sie für die Verwendung in der Lackindustrie geeignet. Hier haben sie sich vor al lem für die Feststellung der Filterleistung von Beutel- oder Schichtenfiltern bewährt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einem erheblich geringeren Zeit- und Materialaufwand durchgeführt werden, als dies bisher der Fall war. So können bei spielsweise mit zwei Litern Lack fünf Filterbeutel oder Schichtenfilter innerhalb von 1 1/2 Stunden inklusive der Gehäusereinigung getestet werden. Nach dem Stand der Technik waren hierfür zwei Tage erforderlich.

Neben der mit dem jeweiligen Filter erzielbaren Produktsauberkeit gibt die neuent wickelte Methode Auskunft sowohl über den in der Produktion zu erwartenden Lack durchsatz als auch über die voraussichtliche Filterstandzeit, deren Vorhersage bisher nicht möglich war. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich also überra schend Vorhersagen für den großtechnischen Maßstab aufgrund von Laborversuchen machen.

Die Vorrichtung hat weiterhin den Vorteil, daß sie sich sehr gut reinigen läßt. Sie ist beliebig oft einsetzbar. Ferner wird sehr wenig Testmaterial, d. h. Fluid und Filtrationsmaterial verbraucht.

Durch die Gehäuseform entsteht ein vorteilhaftes Strömungsprofil, das die Vorrich tung insbesondere für Hochviskose-Produkte geeignet macht. Durch die Form wird weiterhin erreicht, daß eine gleichmäßige Belastung der Filterfläche eintritt.

Bisherige Versuche haben darüber hinaus gezeigt, daß Ausschnitte von Filtern aller bisher bekannten Hersteller getestet werden können.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrie ben:

Fig. 1 zeigt den Versuchsaufbau einer Testanlage.

Fig. 2 zeigt in der Detailskizze Vorlagebehälter und Filtertestkammer.

In den Lackvorlagebehälter von ca. 500 m³ Inhalt wird das Fluid gegeben. In seinem oberen Bereich ist der Behälter 10 zylinderförmig und in seinem unteren Bereich ke gelstumpfförmig ausgebildet. In der Kegelspitze 12 befindet sich die Abflußvorrichtung 13. Diese ist auf der Zuflußvorrichtung 7 in der Spitze 4 des Kreiskegels 2 der Filter testkammer 1 angeordnet. Unterhalb der Grundfläche des Kegels 2 befindet sich ein zylinderförmiger Abschnitt 19, in den das Filtrationsmaterial 14 eingesetzt wird. Dort wird es mittels der Klemmvorrichtungen 18 befestigt und auf das Lochblech 9 gelegt.

Die unter einem Überdruck von 0,1 - etwa 0,5 bar in den Vorlagebehälter gegebene Flüssigkeit gelangt in die Filtertestkammer 1 und wird dort vom kegelförmigen Teil 2 in den kegelförmigen Teil 3 geleitet. Über den Abfluß 8 in der Kegelspitze 5 wird das Fil trat in den Becher 15 geleitet. Dieser befindet sich auf der Waage 16.

Mittels des Rechners 17 wird anhand der von der Waage wiedergegebenen Meßer gebnisse die Filterleistung ermittelt.

Neben den beschriebenen Vorrichtungen enthält die erfindungsgemäße Anlage ins besondere noch die Einrichtungen 20, 21, 22 und 23 zur Regulierung des Druckes in dem Vorlagebehälter. Dies geschieht mittels der Luftdruckdrosselstation 20, des Ven tils 21, des Entlüftungsventils 22 und des Reglers 23.

Beispiel

Es wurde eine Vorrichtung mit einer wirksamen Filterfläche von 7,1 cm² angefertigt. Auf das Lochblech 9 wurden die Filterproben 14 mit einem Durchmesser von 37 mm aufgelegt.

Vor der Versuchsdurchführung wurden 400 ml einer zu untersuchenden Lackprobe in den Vorlagebehälter 10 eingefüllt. Der Behälter 10 wurde verschlossen und bei Be ginn des Versuches über die Luftdruckdrosselstation 20, den Hahn 21 und den Regler 22 mit Druckluft beaufschlagt.

Der Lack durchfloß nach dem Öffnen des Hahnes 21 die Filtrationsschicht und trat als Filtrat in den Probensammler 15. Die Durchflußgeschwindigkeit des Lackes wurde mittels der an die Waage 16 gekoppelten EDV-Anlage 17 erfaßt.

Der mit dem getesteten Beutelfilter erzielte Sauberkeitsgrad der Lackprobe konnte anschließend mit Hilfe der Siebanalyse oder anhand eines Glasaufgusses ermittelt werden. Mit der gemessenen Durchflußgeschwindigkeit ist die spezifische Filterlei stung berechenbar:

L (kg/h) = v_L (g/s) · 3,6/0,00071 · F.

Im Falle des Verstopfens des Filters ließ sich auch die Standzeit des Produktionsfil ters vorherberechnen:

M (kg) = m(g)/0,71 · F (m²).

Für den Versuch wurde als repräsentativer Lack sowohl künstlich mit Normschutz (Typ Klein) verunreinigter FD-72-2001 (Tabelle 1) als auch nicht zusätzlich ver schmutzter Lack (Tabelle 2) eingesetzt. Der Lack FD-72-2001 ist unter dieser Num mer über die BASF Lack + Farben AG zu erhalten. Er besteht zu 13% aus Gelb- und Rotpigmenten, zu 53% aus Kunstharzlösungen, zu 18% aus Melaminharzlösungen, zu 3% aus Batanol, zu 2% aus Xylol und zu 11% aus verschiedenen Additiven. Mit diesem Lack wurden bei gleichem Differenzdruck und bei gleicher Lacktemperatur Versuche mit der erfindungsgemäßen Methode und mit der im Technikumsmaßstab installierten Beutelfilterstation durchgeführt.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen im Vergleich die Ergebnisse der Versuche mit der erfin dungsgemäßen Vorgehensweise und im Technikumsmaßstab. Man erkennt, daß die spezifische Filterleistung mit einer Genauigkeit von etwa 20% vorhergesagt werden konnte, wenn im Großmaßstab etwa der gleiche Differenzdruck und die gleiche Tem peratur wie im Laborversuch vorliegen. Da dies in der Produktion in der Regel nicht der Fall ist, wird bei der Filtration dort wegen des enormen Einflusses der Temperatur auf die Viskosität (Tabelle 1) eine unterschiedliche Filterleistung im Vergleich zum Vorhergesagten sich ergeben. Die Genauigkeit der getroffenen Vorhersage genügt jedoch den Anforderungen der Praxis.

Tabelle 1 zeigt weiterhin, daß auch die nach der Filtration zu erwartende Lacksauber keit gut prognostiziert werden kann. Die Bestimmung der Sauberkeit des Siebanalyse zeigt, daß sich nach Filtration mit der Schnellmethode und nach der Filtration im Großmaßstab das gleiche Schmutzbild ergibt.

Tabelle 1

Vergleich Ergebnisse Beutelfilterschnelltestmethode mit Technikumsfilterstation

Tabelle 2

Vergleich Ergebnisse Beutelfilterschnelltestmethode mit Technikumsfilterstation

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Filterleistung von Filtrationsmaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Vorrichtung aus einer Filtertestkammer (1) besteht,
b) die Filtertestkammer (1) in Form von zwei geraden Kegeln oder zwei regelmäßigen Pyramiden (2, 3), ausgestaltet ist, die über ihre Grund flächenebenen (6a, b) miteinander verbunden sind,
c) in der Verbindung (6) der Grundflächenebenen (6a, b) eine Aufnahme vorrichtung (9) für das Filtrationsmaterial angeordnet ist,
d) an der einen Kegel- bzw. Pyramidenspitze (4) der Zufluß (7) für die zu filtrierende Flüssigkeit und
e) an der anderen Kegel- bzw. Pyramidenspitze (5) der Abfluß (8) für das Filtrat angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Grundflächenebene (6) eine flüssigkeitsdurchlässige Platte (9) angeordnet ist, auf die das Filtrations material gelegt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (9) mindestens teilweise perforiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrationsmaterial (14) mittels an der Innenwand der Filtertestkammer (1) angeordneter Klemmvorrichtungen (18) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß an dem Zufluß (7) zur Filtertest kammer (1) ein Flüssigkeitsvorlagebehälter (10) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsvorlagebehälter (10) abnehmbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7 dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsvorlagebehälter (10) zumindest teilweise in Form eines geraden Kegels oder einer regelmäßi gen Pyramide (11) ausgestaltet ist, in deren Spitze (12) der Abfluß (13) zur Filtertestkammer angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlagebehälter (10) und die Filtertestkammer (1) ein Volumen von zusammen 300-600 ml aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen 400-500 ml be trägt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß sie druckfest ausgestaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Filtrationsmaterials (14) 0,005-0,001 m² beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche 0,0006-0,0008 m² beträgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche 0,0007 m²beträgt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (6) der Grund flächen (6a, b) ein zylinderförmiges Zwischenstück ist, dessen Grundflächen paßgenau den Grundflächen (6a, b) entspricht.

5. Verfahren zum Bestimmen der Filterleistung von Filtrationsmaterialien für Flüs sigkeiten dadurch gekennzeichnet, daß

a) das zu testende Filtermaterial (14) in der Grundflächenebene (6) einer in Form von zwei geraden Kegeln oder zwei regelmäßigen Pyramiden (2, 3), deren Spitzen (4, 5) in entgegengesetzte Richtungen weisen, ausgestalteten Filterkammer (1) angebracht,
b) die zu filtrierende Flüssigkeit durch einen Zufluß (7) in der einen Kegel- bzw. Pyramidenspitze (4) gegeben,
c) die Flüssigkeit durch das Filtrationsmaterial (14) hindurchgeleitet und
d) das Filtrat über den Abfluß (8) in der anderen Kegel- bzw. Pyramiden spitze (5) abgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß das zu testende Filtrationsmate rial mittels einer an der Innenwand der Filtertestkammer (1) angeordneten Klemmvorrichtung (18) befestigt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrationsmaterial (14) auf einer in der Grundflächenebene (6) angeordneten flüssigkeitsdurchlässigen Platte (9) aufgebracht wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-17 dadurch gekennzeichnet, daß die zu testende Flüssigkeit in eine Flüssigkeitsvorlage (10) und anschließend in die Filtertestkammer (1) gegeben wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-18 dadurch gekennzeichnet, daß es unter Druck durchgeführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck 0,1-2 bar beträgt.

21. Verfahren nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck 0,1-0,5 bar be trägt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-21 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrat in ein Probensammel gefäß (15) gegeben wird, der auf einer Waage (16) angeordnet ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-22 dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußgeschwindigkeit mittels eines an die Waage (16) gekoppelten Rechners (17) ermittelt wird.

24. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14 für die Bestim mung der Filterleistung von Filtrationsmaterial für hochviskose Flüssigkeiten.

25. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14 für die Bestim mung der Filterleistung von Filtrationsmaterial für Lacke.

26. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14 für das Be stimmen der Filterleistung von Beutel- oder Schichtenfiltern.