EP0685325B1 - Vorrichtung zum Trennen des Flüssiganteils vom Feststoffanteil von Zweiphasensystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen des Flüssiganteils vom Feststoffanteil von fein dispersen mineralischen Schlämmen, insbesondere eines keramischen Schlickers, mit einer Schnecke und mit die Schnecke mit Radialabstand umgebenden und längs der Schnecke angeordneten zylinderischen Filtermitteln, die mit der Schnecke einen Förderkanal für den Schlicker begrenzen, der über eine Materialzuführung an einem Ende der Filterschneckenpresse zugeführt und nach Förderung durch die Kanäle der rotierenden Schnecke am anderen Ende als Feststoffaustrag über ein Mundstück abgeführt wird, wobei der das Filtermittel durchströmende Flüssiganteil über einen Filtratabzug abgeführt wird.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist bereits bekannt (EP-B 0 138 920), bei der die die Schnecke umgebenden Filtermittel in einem Gehäuse angeordnet sind. Die der Schnecke zugewandten Filtermitteloberflächen der im Gehäuse aufgenommenen Filtermittel sind zum Schutz gegen Abrieb mit einem abriebfesten Schutzgitter überzogen. In den Maschen dieses Gitters bildet sich ein stationärer Filterkuchen, der einen bedeutenden strömungswiderstand für den Filtratabfluß darstellt. Dieser Widerstand wird umso kleiner, je geringer die Dicke des Gitters und je kleiner der von den Gitterstäben überdeckte Flächenanteil der Filtermitteloberfläche ist. Aus Festigkeits- und Stabilitätsgründen, aber auch zur Erfüllung der Schutzfunktion kann die Dicke des Gitters und der durch das Gitter überdeckte Flächenanteil nicht beliebig verkleinert werden, so daß einer Reduktion des Widerstandes für den Filtratabfluß Grenzen gesetzt sind. Abgesehen von dem durch das Schutzgitter bedingten nachteilhaften Strömungswiderstand für den Filtratabfluß ergibt sich durch den Einsatz der Schutzgitter jedoch auch ein baulicher Aufwand einer solchen bekannten Filterschneckenpresse.

Eine der oben beschriebenen Vorrichtung ähnliche Filterschneckenpresse ist in dem japanischen Patent JP 55051000 beschrieben. Auch hier sind die in einem Gehäuse aufgenommenen Filtermittel zum Schutz vor Abrieb auf ihrer der Schnecke zugewandten Seite durch eine innere Röhre geschützt. Diese innere Röhre ist jedoch in einen Niederdruck- und einen Hochdruckbereich aufgeteilt, wobei der Hochdruckbereich verschleißfester und insgesamt mit höherer Festigkeit ausgelegt ist. Dies ändert jedoch nichts an der Tatsache, daß auch hier die oben beschriebenen Nachteile eines Schutzgitters auftreten.

Eine weitere Filterschneckenpresse, bei der die Filtermittel durch eine metallische, perforierte Schutzhülle geschützt werden, ist Gegenstand des französischen Patents FR 596522.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Nachteil des Standes der Technik zu beheben, insbesondere eine Vorrichtung zum Trennen des Flüssiganteils vom Feststoffanteil zu schaffen, die baulich einfach aufgebaut ist und ohne das Erfordernis zusätzlicher Schutzgitter für die Filtermittel auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet sind.

Die Erfindung geht von der Kenntnis aus, daß vom Beginn bis über die Mitte des Schneckenkanals das Zweiphasensystem noch flüssig bis weichplastisch ist, so daß sich im Spalt zwischen Außendurchmesser der Schnecke und Innendurchmesser des Filterzylinders ein auf dem Filtermittel ruhender Filterkuchen ausbildet, dessen Feststoffgehalt höher als der des Mediums im Schneckenkanal ist, so daß aufgrund des ruhenden Filterkuchens die Filtermittel gegen Reibung geschützt sind. Aus diesem Grund genügt in diesem Abschnitt der Einsatz von Filtermitteln, die nicht auf hohe Abriebfestigkeit ausgelegt sein müssen bzw. können zusätzliche Schutzmaßnahmen der Filtermittel durch Vorschalten von Schutzgittern und dergleichen entfallen. Dem trägt die Erfindung durch den zweistufigen Aufbau der Vorrichtung Rechnung, wobei in dem ersten Filtermittelabschnitt Filtermittel mit geringerer Abriebfestigkeit eingesetzt werden können, hingegen im zweiten daran anschließenden Filtermittelabschnitt Filtermittel verwendet werden, die sich durch eine höhere Abriebfestigkeit auszeichnen. Hierfür eignen sich insbesondere poröse Siliziumkarbid- oder Siliziumnitridzylinder. Hierbei ist es zweckmäßig, daß die Filtermittel in Filterelementen mit begrenzter axialer Länge aufgenommen sind, die vorteilhafterweise baugleich ausgeführt sind. Dies bietet die Möglichkeit, die Filterelemente baukastenartig zu sammenzusetzen, indem Filterelemente des ersten Filtermittelabschnittes und Filterelemente des zweiten Filtermittelabschnittes nebeneinander längs der Schneckenachse angeordnet werden. Die Filterelemente sind hierbei gegeneinander durch herkömmliche Dichtungen abgedichtet.

Die Filtermittel des ersten Filterabschnittes zeichnen sich durch feinste Poren dicht an der Filtermitteloberfläche aus, wobei sich das Porensystem in das Filtermittel hinein erweitert. Dadurch werden feine Teilchen weitgehend an der Filtermitteloberfläche festgehalten, wohingegen in das Porensystem eindringende Feinstteilchen das Filtermittel ohne weiteres passieren können. Dadurch werden Verstopfungen weitgehend vermieden.

Bei fein dispers mineralischen Schlämmen, insbesondere bei keramischem Schlicker, haftet im ersten Filterabschnitt eine stationäre Filterkuchenschicht auf der Oberfläche des Filtermediums derart fest, daß dadurch Abrieb und primäre Verstopfung vom Filtermedium ferngehalten werden. In Zone 2, also dem zweiten Filterabschnitt, ist das Zweiphasensystem schon zu einem dispers plastischem Material konzentriert. Hier besteht im ganzen Schneckenkanal ein unmittelbarer Kontakt der dispersen Feststoffteilchen untereinander. Die Feststoffteilchen sind hier offenbar in einem Feststoffgerüst so stark fixiert, daß ein Eindringen feinster Feststoffteilchen in das Filtermedium auch dann nicht erfolgt, wenn die schützende stationäre Kuchenschicht hier nicht mehr existiert. Aufgrund dieses Sachverhalts kann auf die ursprünglich gemäß der EP-B 0 138 920 vorgesehenen Schutzgitter auf den Filtermedien verzichtet werden, die den Widerstand für den Abfluß des Filtrats sehr erhöhen und dadurch die Leistung sehr erniedrigen würden. Zugleich ergibt sich eine erhebliche Verbilligung der Konstruktion. Gegen Abrieb empfindliche relativ billige Filterelemente können für den ersten Filterabschnitt verwendet werden, wohingegen lediglich im zweiten Filterabschnitt entsprechend abriebfestere Abriebelemente erforderlich sind.

Dies ist sehr wesentlich für den wirtschaftlichen und damit praktischen Erfolg der Vorrichtung.

Feinporiges Sintersiebgewebe und poröses Siliziumkarbid sind Beispiele für die in den jeweiligen Abschnitten erforderlichen Filtermedien. Selbstverständlich können aber auch andere geeignete Filtermedien Anwendung finden.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Unterteilung des filtrierenden Schneckenzylinders in eine Anzahl von selbsttragenden Elementen mit entsprechend kleinerer axialer Erstreckung der Filterelemente, in denen die Filtermedien in ungeteilten Stahlzylindern gut befestigt sind, wodurch die bei der Verarbeitung auftretenden sehr hohen Kräfte gut aufgenommen werden können. Ein geschlossenes Gehäuse, das die Filterelemente aufnimmt, ist dabei entbehrlich, vielmehr genügt ein Rahmen, der die Position der Filterelemente festlegt und die Drehmomente, die auf die einzelnen Filterelemente einwirken, aufnimmt.

Zweckmäßigerweise sind die Filterelemente selbsttragend ausgebildet, wobei die Filtermittel entweder in einem massiven Stahlzylinder eingeschweißt sind oder ein Stahlzylinder über die Filtermittel aufgeschrumpft wird, was insbesondere beim Einsatz keramischer Filtermedien der Fall ist. Infolge der selbsttragenden Eigenschaft der Filterelemente entfällt das Erfordernis eines zusätzlichen Gehäuses. Die Filterelemente werden nach dem Aneinanderreihen lediglich mittels Zugankern festgelegt und im übrigen außen durch einen Rahmen gegen Drehung gesichert. Dadurch ergibt sich ein insgesamt sehr einfacher, leicht zu montierender Aufbau einer Filterschneckenpresse.

Wesentlich ist schließlich auch noch ein besonderes Spülverfahren, um sowohl den Schneckenkanal wie auch die Filterelemente nach längeren Betriebszeiten zu reinigen. Hierzu werden in einem ersten Arbeitstakt die Schneckenkanäle durch Leitungswasser gespült, wohingegegen in einem zweiten Arbeitstakt die Filterelemente mit wechselnder Strömungsrichtung, und zwar bevorzugt einzeln mit unter Druck stehendem Spülwasser durchspült werden. Es ist auch möglich, ohne vorherige Spülung der Schneckenkanäle nur das Porensystem der Filterelemente mit Spülwasser stoßweise gegen die Strömungsrichtung des Filtrates zu durchspülen.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Figur 1 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung durch die Längsachse,

Figuren 2 bis 5 Details eines Filterelements des ersten Abschnittes der Vorrichtung sowie

Figuren 6 bis 9 entsprechende Detaildarstellungen eines Filterelements des zweiten Abschnittes der Vorrichtung.

Figur 10 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung.

Die Vorrichtung nach Figur 1 ist durch eine Filterschneckenpresse gebildet, die eine herkömmliche Schnecke 1 aufweist, welche innerhalb eines durch nebeneinander angeordnete Filterelemente 2 und 3 gebildeten Gehäuses angeordnet und bei 4 drehbar gelagert ist. Die durch einen nicht dargestellten Antrieb in Drehung versetzte Schnecke 1 dient zur Förderung von keramischem Schlicker, der zum Zwecke der Trennung des Flüssiganteils vom Feststoffanteil durch den zwischen der Schnecke 1 und den Filterelementen 2 und 3 gebildeten Schneckenkanal transportiert wird. Der Schlicker wird an einem Ende der Filterschneckenpresse über die Materialzufuhr 6 dem Schneckenkanal 5 zugeführt und verläßt am anderen Ende die Presse über das Mundstück 7. Bei 8 ist eine Abführöffnung dargestellt, die als Bypass dient und nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Filterelemente 2 des ersten Filtermittelabschnittes erstrecken sich über mindestens die Hälfte des für die Schlickerförderung wirksamen Teils der Schnecke. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierbei vier Filterelemente 2 dargestellt, an denen sich drei Filterelemente des zweiten Filtermittelabschnittes anschließen. Die längs der Schneckenachse nebeneinander angeordneten zylindrisch ausgebildeten Filterelemente 2 und 3 sind nebeneinander durch Dichtungen 9 herkömmlicher Bauart abgedichtet. Die Filterelemente 2 und 3 sind selbsttragend ausgebildet, so daß ein zusätzliches Gehäuse für die Filterschneckenpresse entfällt.

Schließlich umfaßt die Filterschneckenpresse eine Spülwasserzufuhrleitung 10, über welche, über eine Wasserpumpe 11 und ein Steuerventil 12, Spülwasser den einzelnen Filterelementen unter Zwischenschaltung von Ventilen V₁ bis V_n zugeführt werden kann. Ein weiterer Spülwasserkreislauf ist durch die Wasserleitung 13 und das Ventil 14 gebildet, welche bei 15 in die Filterschneckenpresse einmündet, sowie durch die Spülwasserleitung 15a und das Steuerventil 16, wobei die Leitung 15a am mundstückseitigen Ende bei 16a das Spülwasser aus dem Schneckenkanal ableitet. Mit 17 ist ein Sedimentationsbecken für das Spülwasser gekennzeichnet, wobei in das Becken 17 auch eine Leitung 18 einmündet, die vom Bypass 8 abführt. Schließlich sind in Figur 1 mit 19 und 20 Zuganker schematisch dargestellt, die zur Festlegung der Filterelemente 2 und 3 dienen.

Die Figuren 2 bis 5 zeigen den Aufbau der Filterelemente 2 des ersten Filtermittelabschnittes. Hierbei zeigt Figur 2 das Filtermittel 21 des ersten Filtermittelabschnittes, welches vorzugsweise aus mehreren Lagen von übereinander angeordneten Siebgeweben gebildet ist, die zusammengesintert sind. Dadurch ergibt sich das poröse System des Filtermittels 21, welches im übrigen kreiszylindrisch ausgebildet ist. Anstelle eines zusammengesinterten Siebgewebes kann das Filtermittel auch aus einem porösem Sintermetallzylinder, insbesondere Sinterstahl gebildet sein.

Die porösen zylinderischen Filtermittel 22 des zweiten Filtermittelabschnittes (Figur 6) sind aus keramischem Material gebildet, insbesondere Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid.

Die Sintersiebgewebe bzw. Sinterstahlzylinder für den ersten sowie die Siliziumkarbid- bzw. Siliziumnitridzylinder für den zweiten Filtermittelabschnitt sind jeweils in einem massiven Stahlzylinder 23a bzw. 23b aufgenommen, der in den Figuren 3 und 7 dargestellt ist.

Nach Figur 3 sind im Inneren des Stahlzylinders 23 im Abstand von etwa 20 mm in Umfangsrichtung laufende Kanäle 24 angeordnet, die durch einen oder mehrere axial verlaufende Kanäle 25 miteinander verbunden sind, die das Filtrat zu Auslaufbohrungen 26 im Stahlzylinder 23a leiten. Entsprechend sind auch im Stahlzylinder 23b zur Aufnahme des Filtermittels 22 des zweiten Filtermittelabschnittes umlaufende Kanäle 24 vorgesehen, die durch längs verlaufende Kanäle 25 verbunden sind, um das Filtrat über die Auslaufbohrung 26 abzuführen.

Die Sintersiebgewebe bzw. Sinterstahlzylinder sind in den Stahlzylinder 23a eingeschweißt, wie aus Figur 5 hervorgeht. Die Siliziumkarbid- bzw. Siliziumnitridzylinder nach Figur 6 werden zur Bildung des Filterelements auf genaues Maß beschliffen, so daß der Stahlzylinder 23b thermisch aufgeschrumpft werden kann. Das zusammengesetzte Filterelement ist hierbei in Figur 9 dargestellt.

Dabei sind beim Filterelement nach den Figuren 6 bis 9 die Toleranzen der Abmessungen so zu wählen, daß nach Abkühlen des Stahlzylinders und bei einem Filtrationsdruck von 120 bar im Schneckenkanal das zylinderische Filtermedium (Siliziumkarbid bzw. Siliziumnitrid) in Umfangsrichtung im Mittel spannungsfrei ist. Wenn der Druck im Schneckenkanal bzw. im Filterelement den Wert Null annimmt, gerät das zylindrische Filtermedium durch den aufgeschrumpften Stahlmantel unter hohem Druck in Umfangsrichtung. Die Wandstärke des zylinderischen Filtermediums ist hierbei so gewählt, daß das Siliziumkarbid- bzw. Siliziumnitridmaterial nicht überbeansprucht wird. Da die genannten Materialien hohe Druckspannungen, aber nur geringe Zugspannungen aufnehmen können, gelingt es nur auf dem dargestellten Weg, Filterelemente aus diesen Materialien zu erstellen, die hohe Filtrationsdrücke aufnehmen. Hierbei kommt es insbesondere auch auf die zylinderische Ausführung der Stahlzylinder als Vollmantel an, da bei Verwendung von Halbschalen keine ausreichend gleichmäßige Druckbeanspruchung auf dem Umfang des zylinderischen Filterelements gewährleistet werden kann. Dies könnte zu einem Zerbrechen der Filterelemente führen.

Die Filterelemente 2 und 3, wie sie in den Figuren 2 bis 5 und 6 bis 9 dargestellt sind, sind selbsttragend ausgebildet und brauchen von außen nicht durch ein besonderes Gehäuse abgestützt zu werden. Sie werden lediglich auf einem entsprechenden Rahmen angeordnet, der in den Figuren 4 und 8 mit 27 gekennzeichnet ist. Dieser Rahmen 27 weist eine Aussparung 28 auf, in welcher ein Fortsatz des Stahlzylinders eingreift, wodurch der Rahmen 27 das auf die Filtermitteloberfläche durch die rotierende Schnecke innen aufgebrachte Drehmoment aufnimmt.

Die Filterelemente weisen begrenzte axiale Länge auf, wobei in der bevorzugten Ausführungsform die Länge der Filterelemente im Bereich von 100 bis 200 mm liegt. Durch die Aufteilung des Filtermediums in einzelne Filterelemente ergibt sich nicht nur ein Baukastensystem sondern können die Filtermedien aus Siebgewebe und aus Sinterstahl entsprechend an den umgebenden Stahlmänteln festgeschweißt werden. Ferner ist dadurch ein problemloses thermisches Aufschrumpfen der Stahlmäntel auf die Filtermittel aus Siliziumkarbid und Siliziumnitrid gewährleistet. Auch bei der gezielten nachfolgend noch beschriebenen abschnittsweisen Spülung der Filterelemente bewährt sich dieser Aufbau des Schneckenzylinders aus einzelnen Filterelementen 2 und 3.

Vom Einlauf des Schlickers bei 6 in den Schneckenkanal 5 bis über die Mitte des Schneckenkanals (bis zu ca. 60 Gewichtsprozent Trockensubstanz) ist das Zweiphasensystem im Schneckenkanal noch flüssig bis weichplastisch. In diesem Bereich sind die Filterelemente 2 angeordnet. Die Schnecke ist noch nicht förderwirksam (leicht abfallender Druck in dieser Zone). Im Spalt zwischen Außendurchmesser der Schnecke und Innendurchmesser des Filterzylinders bildet sich ein auf dem Filterzylinder ruhender Filterkuchen, der einen deutlich höheren Feststoffgehalt hat als das Medium im Schneckenkanal. Dieser Filterkuchen hat also auch eine deutlich höhere, mechanische Festigkeit als das Material im Schneckenkanal. Diese ruhende Filterkuchenschicht ist sehr wesentlich im ersten Abschnitt, da sie die Reibung vom Filtermittel fernhält. Dies gilt, wenn eine bestimmte Schichtdicke nicht unterschritten wird, die aufgrund von Versuchsergebnissen etwa 0,5 bis 1 mm beträgt. Der Widerstand für den Filtratabfluß liegt in diesem ersten Filtermittelabschnitt im wesentlichen in dieser ruhenden Filterkuchenschicht, denn im Schneckenkanal besteht aus hier nicht im einzelnen darzulegenden Gründen noch fast kein direkter Kontakt zwischen den Feststoffteilchen (Feststoffgerüstdruck 0). Der Widerstand für den Filtratabfluß kann nicht beliebig verkleinert werden, da eine minimale Dicke der ruhenden Filterkuchenschicht nicht unterschritten werden kann. Er ist aber ohne die Verwendung eines Schutzgitters, daß im ersten Filtermittelabschnitt überflüssig ist, auf jeden Fall kleiner als mit einem Schutzgitter. In dieser Zone genügen einige Lagen aus feinmaschigen Siebgeweben, die zusammengesintert wurden, oder poröse Sinterstahlzylinder als Filtermittel, da hier eine Gefährdung der Filtermittel durch Abrieb nicht besteht.

Zweckmäßigerweise sind bei den Filtermitteln aus zusammengesinterten Siebgeweben oder Sinterstahl in bekannterweise Porenstrukturen realisiert, wobei sich die feinsten Poren dicht an der Filtermitteloberfläche befinden, wo sich der Filterkuchen bildet. Von dort aus erweitert sich das Porensystem in das jeweilige Filtermedium hinein. Feine Teilchen werden dadurch weitgehend an der Filtermitteloberfläche festgehalten. Feinste Teilchen, die in das Filtermittel eindringen, werden mit großer Wahrscheinlichkeit die sich erweiternden Kanäle des Filtermittels ganz passieren und mit dem Filtrat abgehen. Die Möglichkeit von Verstopfungen wird so wesentlich reduziert.

Im zweiten sich am ersten unmittelbar anschließenden Filtermittelabschnitt ist die Feststoffkonzentration im Schneckenkanal mit über 60 Gewichtsprozent soweit angestiegen, daß eine deutliche Unterscheidung zwischen Medium im Schneckenkanal und Filterkuchenschicht auf dem Filtermittel nicht mehr möglich ist. Die Schnecke ist deutlich förderwirksam. Die Entwässerung erfolgt hier im wesentlichen durch Kompression des dispers plastischen Mediums im Schneckenkanal, wobei die Feststoffteilchen sich bereits direkt berühren. Zur Vermeidung von Abrieb muß ein Filtermedium aus sehr abriebfestem Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid verwendet werden, wobei jedoch ein Schutzgitter nicht erforderlich ist. Durch die sehr rauhe Oberflächenstruktur des Siliziumkarbids wird teilweise noch das Wandgleiten verhindert, jedoch sind bei höchsten Feststoffkonzentrationen Wandgleitvorgänge nicht mehr ganz ausschließbar.

Im Laufe einer längeren Betriebszeit, wie es in der Praxis auftritt, nimmt der Filtratstrom allmählich ab, was auf Verstopfungsvorgänge zurückzuführen ist. Die feinen Poren des Filtermittels und vor allem der stationären Kuchenschicht auf dem Filtermittel werden im Laufe einer längeren Betriebszeit von den im Zweiphasensystem im Schneckenkanal auch vorhandenen feinsten Feststoffteilchen allmählich zugesetzt, so daß der Strömungswiderstand für den Filtratstrom zunimmt. Diese Verstopfung kann jedoch durch einen Spülvorgang rückgängig gemacht werden. Hierbei läuft die Spülung in zwei Schritten ab und zwar am Ende eines längeren stationären Betriebs der Filterschneckenpresse.

Zum Zwecke der Spülung wird das Mundstück 7 oder der Bypass 8 für den Abfluß des plastischen Materials am mundstückseitigen Ende des Schneckenkanals geöffnet, um den Strömungswiderstand für den Ausfluß des plastischen Materials aus dem Schneckenkanal stark zu reduzieren. Die Schnecke rotiert weiter und auch der Schlickerzufluß über die Materialzufuhr 6 wird beibehalten. Die rotierende Schnecke ist damit in der Lage, durch ihre Förderwirkung das plastische Material weitgehend aus dem Schneckenkanal abzutransportieren, was solange erfolgt, bis Schlicker von der Materialzufuhr 6 bis zum Auslauf beim Mundstück 7 oder Bypass 8 durchschlägt. Dann wird die Schlickerzufuhr 6 abgesperrt und der Wasserleitungshahn 14 geöffnet, so daß Wasser in die Filterschneckenpresse eingespeist wird. Das Wasser strömt nun durch die Schneckenkanäle und verläßt nun anstelle von Schlicker das Gehäuse der Filterschneckenpresse über das Mundstück 7 oder den Bypass 8. Dadurch erfolgt eine wirksame Spülung des Schneckenkanals, der weitgehend von Schlicker und plastischem Material gereinigt wird. Die Rotationsbewegung der Schnecke unterstützt hierbei den Spülvorgang. Der Spülvorgang ist beendet, wenn Schlicker und Reste von plastischem Material aus dem Schneckenkanal herausgespült worden sind.

Es schließt sich dann zweckmäßigerweise eine Spülung der Filterelemente an. Hierzu wird der Anschluß an das Wasserleitungsnetz bei 14 und werden die Ausflußöffnungen 7 und 8 geschlossen. Danach wird Spülwasser unter höherem Druck über automatisch gesteuerte Ventile 12 und 16 in wechselnder Strömungsrichtung durch das Porensystem der Filtermittel geleitet. Die Steuerung des Richtungswechsels erfolgt in einem vorgegebenen Zeittakt durch die Magnetventile 12 und 16. Der Spülwasserstrom für die Filtermittel wird von einer beispielsweise hydraulisch angetriebenen Kolbenpumpe 11 gefördert. Der Förderdruck kann dann auf einfache Weise hydraulisch geregelt werden (10 bis 30 bar). Der Spülwasserstrom würde bei Spülungen mit gleichbleibender Strömungsrichtung nach kurzer Zeit abnehmen, da sich die feinen Teilchen, die das Porensystem verstopfen und durch den Spülwasserstrom zunächst aus ihren Positionen herausgelöst werden, sich nach kurzem Weg erneut in irgendwelchen Winkeln des Porensystemes festsetzen und zu neuen Verstopfungen führen. Dies wird vermieden durch eine wiederholte Richtungsumkehr des Spülwasserstromes, der die feinen Teilchen aus sehr verwinkelten Porensystemen heraustransportiert, was vor allem bei Filtermitteln aus poröser Keramik gilt.

Zweckmäßigerweise wird ferner immer nur ein begrenzter Abschnitt des filtrierenden Schneckenzylinders gespült, um zu vermeiden, daß der Spülwasserstrom über schon freigespülte Abschnitte des Schneckenzylinders fließt, während andere noch verstopfte Abschnitte ungespült bleiben. Es werden daher die einzelnen Filterelemente 2 und 3 je für sich gespült. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß nacheinander immer nur jeweils eines der Ventile V₁ bis V_n geöffnet wird.

Dieser Spülvorgang der Filterelemente wird einige Male durch eine Spülung des Schneckenkanals mit Leitungswasser unterbrochen, wie er vorher beschrieben wurde, um Reste des dispers plastischem Materials, die sich noch von der Oberfläche der Filtermittel gelöst haben, aus dem Schneckenkanal hinauszubefördern.

In besonderen Fällen bewährt sich auch ein vereinfachtes Spülverfahren, welches während des laufenden Betriebes der Schneckenpresse ohne vorherige Spülung der Schneckenkanäle angewendet werden kann. Spülwasser wird unter einem höheren Druck, als er im Schneckenkanal vorliegt, in Gegenrichtung zum Filtratstrom durch das Porensystem der Filterelemente geleitet. Der Spülwasserstrom muß jeweils wiederholt für ein begrenztes Zeitintervall eingeschaltet werden. Sobald der Spülwasserstrom für das nachfolgende Zeitintervall abgeschaltet wird, fließt aufgrund des hohen Druckes im Schneckenkanal ein Teil des in den Schneckenkanal eingetragenen Spülwassers durch das Porensystem des Filtermediums in Richtung des Filtratstromes zurück, so daß sich ebenfalls eine Spülung mit wechselnder Strömungsrichtung ergibt. Auch hier ist es sinnvoll die Filterelemente je für sich nacheinander zu spülen.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Taktzeiten für die Spühlvorgänge in den verschiedenen Richtungen unterschiedlich lang gewählt werden. Dies hat zur Folge, daß ein Teilchen in der Richtung der längeren Taktzeit im statistischen Mittel eine größere Wegstrecke zurücklegt als in der Gegenrichtung und so eine Chance hat, aus dem Inneren des Filtermediums abtransportiert zu werden. Mit dieser Verfahrensweise gelingt es, einen in größeren Betriebszeiten eintretende allmähliche Verstopfung der Filterelemente durch feinste Teilchen zu beseitigen.

Die Ausbildung einzelner Filterelemente zusammen mit der Unterteilung des filtrierenden Schneckenzylinders in zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Filtermedien kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn es darum geht, die Vorrichtung für größere Leistung auszulegen. Der Vergrößerung der Transport-geschwindigkeit des Mehrphasensystems im Schneckenkanal und der Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase im Porensystem, das durch die dispers feste Phase gebildet wird, sind aus strömungstechnischen Gründen enge Grenzen gesetzt. Eine Leistungssteigerung der Vorrichtung durch Verlängerung der axialen Erstreckung der Schnecke und durch Vergrößerung der Schneckenkanaltiefe ist daher nur in sehr begrenztem Umfang möglich. Im wesentlichen kann die Leistung nur durch eine Vergrößerung des Durchmessers erreicht werden. Filterelemente mit Siebgewebe für den ersten Filterabschnitt können ohne größere fertigungstechnische Probleme und mit vertretbarem Aufwand mit größerem Durchmesser hergestellt werden. Filterelemente mit poröser Keramik können dagegen im Durchmesser nur begrenzt vergrößert werden. Es entstehen schon bei Durchmessern von 400 mm kaum mehr zu bewältigende fertigungstechnische Probleme bei der Bearbeitung durch Schleifen und dementsprechend hohe Kosten. Zur Leistungsvergrößerung wird erfindungsgemäß für diesen Abschnitt der Einsatz mehrerer Filterschnecken parallel zueinander vorgeschlagen. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt. Hierbei bildet der erste Filterabschnitt 29 eine Filterschnecke mit großem Durchmesser. Hingegen ist der zweite Filterabschnitt 30 durch mehrere parallel arbeitende Filterschnecken mit kleinerem Durchmesser gegenüber dem ersten Filterabschnitt 29 gebildet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 sind vier parallel arbeitende Filterschnecken 31 vorgesehen. Hierbei beträgt der Durchmesser der Filterschnecken 31 des zweiten Filterabschnitts 30 zweckmäßigerweise ein Viertel des Durchmessers der Filterschnecke 32 des ersten Filterabschnitts 29. Die Filterschnecken 31 speisen das Extrudat in ein gemeinsames Mundstück 33 ein, aus dem dann nur ein Strang 34 plastischer Masse austritt. Der Öffnungsquerschnitt des Mundstücks 33 wird in bekannter Weise so gesteuert, daß vor dem Mundstück ein konstant vorgegebener Druck herrscht. Die gemeinsame Drehfrequenz der Schnecken des zweiten Filterabschnitts 30 wird so auf die Drehfrequenz der Schnecke 32 des ersten Abschnitts abgestimmt, daß im Übergang von Abschnitt 29 zu Abschnitt 30 sich die Konzentration im Zweiphasensystem einstellt, die den Wechsel des Filtermediums erforderlich macht. Schließlich sind in Fig. 10 mit 35 Antriebseinheiten der einzelnen Filterschnecken 31 bezeichnet.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Trennen des Flüssiganteils vom Feststoffanteil von fein dispersen mineralischen Schlämmen, insbesondere eines keramischen Schlickers, mit einer Schnecke (1) und mit die Schnecke umgebenden und längs der Schneckenachse angeordneten zylindrischen Filtermitteln, die mit der Schnecke (1) einen Förderkanal (5) für den Schlicker begrenzen, der über eine Materialzuführung (6) an einem Ende der Vorrichtung der Schnecke (1) zugeführt wird und nach Forderung durch die rotierende Schnecke am anderen Ende als Feststoffaustrag über ein Mundstück (7) abgeführt wird, wobei der das Filtermittel durchströmende Flüssiganteil über zu einem Filtratabzug führende Kanäle (24, 25) abgeführt wird,
   gekennzeichnet durch einen zweistufigen Aufbau der Vorrichtung mit einem ersten Filtermittelabschnitt für den Aufbau einer ruhenden Filterkuchenschicht unmittelbar auf dem Filtermittel (21) mit einem deutlich höheren Feststoffgehalt als der im Schneckenkanal (5) geförderte Schlicker, der sich von der Materialzuführung (6) längs der Schneckenachse erstreckt, und mit einem zweiten daran anschließenden Filtermittelabschnitt, der aus Filtermitteln (22) aufgebaut ist, die eine höhere Abriebfestigkeit als die Filtermittel (21) des ersten Filtermittelabschnittes besitzen und die ebenfalls wie die Filtermittel des ersten Filtermittelabschnitts in unmittelbarem Kontakt mit den zu trennenden Schlämmen stehen, wobei die beiden Filtermittelabschnitte jeweils aus nebeneinander angeordneten selbsttragenden Filterelementen (2, 3) aufgebaut sind, von denen jedes Filterelement aus einem massiven Stahlzylinder (23) mit einem darin aufgenommenen zylindrischen Filtermittel (21) bzw. (22) gebildet ist, so daß innerhalb eines jeden Filterelementes (2, 3) und unabhängig von den benachbarten Filterelementen (2, 3) zwischen Stahlzylinder (23) und darin aufgenommenem Filtermittel (21, 22) Kanäle ausgebildet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel und zwar vorzugsweise die des ersten Filtermittelabschnittes (21) feinste Poren dicht an der der Schnecke (1) zugewandten Filtermitteloberfläche aufweisen, von wo aus sich die Porenkanäle in das Filtermittel (21) hinein erweitern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel (21) des ersten Filtermittelabschnittes aus mehreren Lagen von vorzugsweise zusammengesinterten, feinmaschigen Siebgeweben oder aus porösem Sintermetall und die Filtermittel (22) des zweiten Filtermittelabschnittes aus porösem Keramikmaterial, insbesondere aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid gebildet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Filtermittelabschnitt sich vom Schlickereinlauf bis mindestens zur Mitte der Schnecke (1) erstreckt, vorzugsweise über einen Bereich, in dem der Feststoffgehalt des Schlickers 42 bis 60 Gewichtsprozent beträgt, vorzugsweise bis zu maximal 60 Gewichtsprozent, woran dann der zweite Filtermittelabschnitt anschließt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel (21) des ersten Filtermittelabschnittes jeweils im Stahlzylinder (23) angeschweißt sind, und daß die Filterelemente (3) des zweiten Filtermittelabschnittes durch thermisches Aufschrumpfen des entsprechenden Stahlzylinders (23) auf das Filtermittel (22) gebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Filterelementen (3) des zweiten Filtermittelabschnittes die Toleranzen der Abmessungen so gewählt sind, daß nach dem Abkühlen des Stahlzylinders (23) und bei einem Filtrationsdruck von etwa 120 bar im Schneckenkanal (5) das zylinderische Filtermittel (22) in Umfangsrichtung im Mittel spannungsfrei ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (2, 3) eine axiale Erstreckung im Bereich von 100 bis 200 mm aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle des Filterelements (2, 3) aus vorzugsweise in einem Abstand von etwa 20 mm in Umfangsrichtung verlaufenden Kanäle (24) gebildet sind, die durch einen oder mehrere axial verlaufende Kanäle (25) verbunden sind, die zu einer oder mehreren Auslaufbohrungen (26) im Stahlzylinder (23) führen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (2, 3) auf einem längs der Schneckenachse angeordneten Rahmen (27) gegen Drehung gesichert angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten zylinderischen Filterelementen (2, 3) umlaufende Dichtungen (9) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Spülsystem, bei dem in einem ersten Arbeitstakt die Schneckenkanäle und in einem zweiten Arbeitstakt die Filterelemente (2, 3) gespült werden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülung der Schneckenkanäle dadurch erfolgt, daß das Mundstück (7) oder ein am mundstückseitigen Ende der Schnecke (1) angeordneter Bypasss (8) vorzugsweise bei rotierender Schnecke (1) und fortdauerndem Schlickereintrag über die Materialzuführung (6) geöffnet wird bis Schlicker vom Einlauf bis zum Auslauf beim Mundstück (7) oder Bypass (8) durchschlägt, danach die Schlickerzufuhr unterbunden und Wasser am materialzuführseitigen Ende der Vorrichtung eingespeist wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülung der Filterelemente (2, 3) dadurch erfolgt, daß nach Spülung des Schneckenkanals bei geschlossenem Mundstück (7), Bypass (8) und Schlickerzuführung (6) unter Druck stehendes Spülwasser ventilgesteuert in wechselnder Strömungsrichtung durch das Porensystem der Filterelemente (2, 3) geleitet wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Spülsystem, dadurch gekennzeichnet, daß im laufenden Betrieb der Filterschneckenpresse ohne vorherige Spülung des Schneckenkanals Spülwasser unter höherem Druck, als er im Schneckenkanal herrscht, von der Spülwasserpumpe (11) über das Ventil (12) in Gegenrichtung zum Filtratstrom durch das Porensystem der Filterelemente geleitet wird, wobei das Ventil (12) nach einem vorgebbaren Zeittakt so gesteuert wird, daß während eines Spülvorganges jeweils mehrere Male auf ein Zeitintervall, in dem der Spülwasserstrom entgegengesetzt zum Filtratstrom durch die Filterelemente gepumpt wird, ein Zeitintervall folgt, in dem ein freier Filtratabfluß aus den Filterelementen eingestellt wird, so daß durch den hohen Innendruck im Zweiphasensystem im Schneckenkanal ein Flüssigkeitsstrom durch die Filterelemente in Richtung des Filtratstromes erfolgt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülvorgang durch Rotation der Schnecke (1) unterstützt wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Filterelemente (2, 3) nacheinander jeweils für sich gespült werden.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülung der Filterelemente (2, 3) einige Male durch eine Spülung des Schneckenkanals unterbrochen wird.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Filterabschnitt (30) mehrere parallel arbeitende Filterschnecken (31) vorgesehen sind.

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