Abstract:
Die Kuchenfiltration ist ein bewährtes Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung von hochkonzentrierten Suspensionen. Nach der Kuchenbildung liegt ein sogenannter Filterkuchen als Partikelnetzwerk mit Flüssigkeit gefüllten Poren vor. Da zur weiteren Reduzierung der Filterkuchenrestfeuchte mechanische Methoden gegenüber der thermischen Trocknung signifikant weniger Energie erfordern, gilt es, Filterkuchen so weit wie möglich mechanisch zu entfeuchten. Vorzugsweise erfolgt die Kuchenfiltration auf einem einfachen kontinuierlichen Vakuumfilterapparat, der sich durch geringe Investitionskosten und hohe erreichbare Durchsätze auszeichnet. ... mehr
Für feinpartikuläre Suspensionen stößt die gängige Gasdifferenzdruckentfeuchtung zur mechanischen Entfeuchtung auf einem Vakuumfilterapparat an seine Grenzen. Die Anwendung eines Gasdifferenzdrucks von maximal 80 kPa, um Flüssigkeit aus dem Filterkuchen zu treiben, führt aufgrund des hohen kapillaren Eintrittsdrucks zu einer unzureichenden Entfeuchtung. Auch erhöhte Betriebskosten und schlimmstenfalls ein Druckdifferenzabfall durch unerwünschte Rissbildung sind für feine Filterkuchen denkbar. Für eine adäquate Entfeuchtung solcher Filterkuchen ist die Pressverdichtung bei einem hohen Druck eine bekannte Methode. Dies ist jedoch nur in einfachen Filterpressen mit einer diskontinuierlichen Betriebsweise oder unter aufwendiger Auslegung der Apparatekomponenten für die hohe Druckbelastung auf kontinuierlichen Vakuumfiltern umsetzbar.
Ein alternatives Entfeuchtungsverfahren für feine Filterkuchen ist die Verdichtung durch oszillierende Scherung bei geringem Pressdruck. Der niedrige Pressdruck und die kurze Prozesszeit zur deutlichen Entfeuchtung machen die Methode für die Umsetzung auf einem einfachen kontinuierlichen Vakuumfilterapparat vielversprechend. Nach der grundsätzlichen Machbarkeitsstudie der Methode sind nun noch wichtige Punkte zu deren industriellen Eignung zu behandeln. Dazu zählt die Vertiefung des Prozessverständnisses, die die Analyse des Einflusses von Partikel- und Haufwerkseigenschaften auf die Methode, deren Tiefenwirkung, die Charakterisierung des Verdichtungsmechanismus und den Vergleich mit üblichen Verfahren umfasst. Zudem ist die Anwendbarkeit der Vibrationsverdichtung auf einem bestehenden kontinuierlichen Vakuumfilterapparat zu überprüfen. Beide Aspekte sind im Fokus dieser Arbeit, um zu ergründen, ob die Methode eine reale Alternative zur Entfeuchtung von feinen, kompressiblen Filterkuchen ist.
Es zeigt sich, dass die Methode für mineralische Partikel mit einer mittleren Partikelgröße unter 30 µm infrage kommt. Das Entfeuchtungspotential nimmt dabei mit zunehmender Partikelfeinheit und Partikelagglomeration aufgrund des ausgeprägten Porenanteils nach der Kuchenbildung zu. Da kleine Partikel die Hohlräume zwischen großen Partikeln füllen, ist das Entfeuchtungspotential von breiter verteilten Partikelsystemen bei gleichem Feinanteil durch die Methode ausgeprägter. Zeitliche Feststoffkonzentrationsschwankungen der Suspension können zu einer Voruntersättigung, einem Filterkuchenaufbau mit heterogener Partikelgrößenverteilung oder einer variierenden Filterkuchenhöhe nach der Kuchenbildung führen. Bei maximaler Scherfestigkeit des Filterkuchens durch die Voruntersättigung ist kein Entfeuchtungserfolg durch den Schwingungseintrag nachweisbar. Da die Partikelumlagerung als entscheidender Verdichtungsmechanismus nur lokal im Mikrometerbereich stattfindet, schränkt ein heterogener Filterkuchen den Entfeuchtungseffekt durch den Vibrationseintrag im Vergleich zum homogenen Filterkuchen ein. Daher ist eine hohe Feststoffkonzentration der Suspension für eine effiziente Vibrationsentfeuchtung sicherzustellen. Eine Variation der Filterkuchenhöhe hat keinen Einfluss auf die Vibrationsverdichtung infolge deren tiefgehenden Wirkung. Auch der Erhalt der Partikelgrößenverteilung und der Feststoffmasse auf dem Filtermedium nach der Vibrationsverdichtung hebt deren industrielle Realisierbarkeit hervor.
Die Vibrationsverdichtung hält mit der konventionellen Pressverdichtung hinsichtlich der Entfeuchtung mit, bis bei sehr hohen Pressdrücken bis 1000 kPa die Pressverdichtung wirksamer ist. Dies ist nur gültig, wenn eine Bypass-Luftströmung durch das Filtermedium unter erhöhten Betriebskosten die dort gespeicherte Flüssigkeit ersetzt und so die Wiederbefeuchtung des Filterkuchens durch dessen elastisches Rückdehnungsverhalten nach der Druckentlastung verhindert. Bei einer Wiederbefeuchtung des Filterkuchens wie bei der Pressverdichtung in Filterpressen erzielt die Vibrationsverdichtung eine höhere Entfeuchtung. Verglichen mit der Gasdifferenzdruckentfeuchtung erwirkt die Vibrationsverdichtung für feine Filterkuchen, die ein maximaler Gasdifferenzdruck von 80 kPa bei der Vakuumfiltration nicht untersättigt, eine effektvollere Entfeuchtung. Aber auch für kompressible Filterkuchen, deren kapillarer Eintrittsdruck bei 80 kPa überwindbar ist, gelangt die Vibrationsentfeuchtung zu vergleichbaren Entfeuchtungsresultaten. Dies gelingt gegensätzlich zur Gasdifferenzdruckentfeuchtung bei einer deutlich geringeren Druckdifferenz, bei vollständiger Filterkuchensättigung und ohne Betriebskostenanstieg infolge eines hohen Gasdurchsatzes durch bereits entleerte Porenkanäle oder auftretende Risse.
Die Entwicklung eines Vibrationsmoduls und dessen Implementierung auf einem bestehenden kontinuierlichen Taktbandfilter ermöglicht eine erhebliche Entfeuchtung eines feinen, kompressiblen Filterkuchens um bis zu 26 Prozent durch den Vibrationseintrag bei geringem Druck in kurzer Zeit. Dieser Umstand und die gezeigte Konkurrenzfähigkeit des Verfahrens mit üblichen Methoden bezüglich des Entfeuchtungseffekts weiten das Anwendungsspektrum von bevorzugten kontinuierlichen Vakuumfilterapparaten aus. Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Vibrationsverdichtung eine reale Alternative zur mechanischen Entfeuchtung von feinen, kompressiblen Filterkuchen ist.
Abstract (englisch):
Cake filtration is an established process for the solid-liquid separation of highly concentrated slurries. After cake formation, a so-called filter cake forms as a particle network with pores filled with liquid. As mechanical methods require significantly less energy than thermal drying to further reduce residual filter cake moisture, it is important to deliquor filter cakes mechanically as far as possible. Cake filtration is preferably carried out on a simple continuous vacuum filter apparatus, which is characterized by low investment costs and high achievable throughputs. ... mehr
For fine particulate slurries, the conventional application of a gas pressure difference for mechanical cake deliquoring on a vacuum filter apparatus reaches its limits. Using a maximum gas pressure difference of 80 kPa to remove liquid from the filter cake leads to an insufficient deliquoring due to the high capillary entry pressure. Increased operating costs and, in the worst case, a pressure difference drop due to undesirable filter cake cracking are also possible for fine filter cakes. For an appropriate deliquoring of such filter cakes, compaction at high pressures is a familiar method. However, this can only be realized in simple filter presses with a discontinuous mode of operation or with a costly design of the apparatus components for the high pressure load on continuous vacuum filters.
An alternative deliquoring process for fine filter cakes is compaction by an oscillatry shear at low pressure. The low pressure and the short process time for significant deliquoring make the method promising for implementation on a simple continuous vacuum filter apparatus. After a fundamental proof of concept, important questions regarding the industrial applicability of the method still need to be addressed. These include a deeper process understanding, which involves analyzing the influence of particle and filter cake properties on the method, its depth effect, characterizing the compaction mechanism, and comparing it with conventional methods. Furthermore, the applicability of vibration compaction on an existing continuous vacuum filter apparatus needs to be evaluated. Both aspects are the focus of this work to find out if the method is a viable alternative for deliquoring fine, compressible filter cakes.
It turns out that the method is suitable for mineral particles with an mean particle size smaller than 30 µm. The deliquoring potential rises with increasing particle fineness and particle agglomeration due to the distinct pore fraction after cake formation. Since small particles fill the voids between large particles, the deliquoring potential of the method for more broadly distributed particle systems with the same fine content is more significant. Fluctuations of the slurry solids concentration over time can lead to desaturation, filter cake formation with heterogeneous particle size distribution or varying filter cake height after cake formation. At the maximum shear strength of the filter cake due to desaturation, no deliquoring success can be detected by the vibration input. As the particle rearrangement, as the decisive compaction mechanism, only takes place locally in the micrometer range, a heterogeneous filter cake limits the deliquoring effect by vibration input compared to a homogeneous filter cake. Therefore, a high solids concentration of the slurry must be ensured for an efficient vibration deliquoring. A variation of the filter cake height has no influence on the vibration compaction due to its depth effect. Also, the preservation of the particle size distribution and the solids mass on the filter medium after vibration compaction highlights its industrial feasibility.
Vibration compaction keeps up with conventional compaction by squeezing at high pressures in terms of deliquoring, until at very high pressures up to 1000 kPa squeezing is more effective. This is only valid if a bypass air flow through the filter medium under increased operating costs replaces the liquid stored there and thus prevents rewetting of the filter cake by its elastic recovery behavior after pressure relief. Vibration compaction achieves a more efficient deliquoring of fine filter cakes as compaction by squeezing in filter presses, where filter cake rewetting occurs. Compared to deliquoring by a gas pressure difference, where desaturation is not possible due to a maximum pressure difference of 80 kPa during vacuum filtration, vibration compaction achieves a more successful deliquoring of fine filter cakes. Vibration dewatering also provides comparable dewatering results for compressible filter cakes whose capillary entry pressure can be exceeded at 80 kPa. In contrast to a deliquoring by a gas pressure difference, this is accomplished at a significantly lower pressure difference, at a complete filter cake saturation and without an increase of operating costs due to high gas throughput through already emptied pore channels or occurring cracks.
The development of a vibration module and its implementation on an existing continuous indexing belt filter enables a significant deliquoring of a fine, compressible filter cake by up to 26 % by oscillatory shear at low pressure in a short time. This fact, combined with the demonstrated competitiveness of the process with conventional methods in terms of deliquoring efficiency, expands the range of applications for preferred continuous vacuum filter apparatus. Overall, the results of this work show that vibration compaction is a viable alternative for mechanical deliquoring of fine, compressible filter cakes.
