Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum verbesserten Einsatz der Durchströmungswäsche bei rissbehafteten Filterkuchen
IGF-Nr. 01IF23518N
Ausgangssituation
Die Kuchenfiltration stellt eine verfahrenstechnisch meist gut beherrschbare, flexible und vergleichsweise kostengünstige Technologie der Fest-Flüssig-Trennung dar. In vielen Fällen ist ein spezifikationsgerechtes Trennergebnis in Bezug auf lösliche Komponenten nur durch eine zusätzliche Durchströmungswäsche erreichbar, bei der die Waschflüssigkeit in die Oberfläche des Filterkuchens eindringt und die Porenflüssigkeit verdrängt. Die üblichen Voruntersuchungen für eine spätere Auslegung von industriellen Filtrationsanlagen werden hierfür in kleinen Laborversuchsständen unter möglichst definierten Bedingungen durchgeführt.
Die verfahrenstechnische Herausforderung: Rissbildung
Im realen industriellen Prozess kommt es häufig zur Rissbildung im Filterkuchen (beispielsweise durch partielle Untersättigung, die zu Schrumpfungsvorgängen führt). Solche Filterkuchen entziehen sich üblicherweise der standardisierten Labormethodik, da die Risse in Bezug auf ihre Größe, Form und Verteilung stochastisch auftreten. Da Risse einen deutlich geringeren Strömungswiderstand aufweisen, strömt die Waschflüssigkeit bevorzugt durch diese Fehlstellen ab und umgeht den eigentlichen Filterkuchen. Die verfahrenstechnischen Folgen dieser Kurzschlussströmung sind unsichere Auslegungen, eine stark heterogene Auswaschung, ein Mehrbedarf an Waschflüssigkeit sowie eine unerwünschte Filtratverdünnung. Bisher mangelt es an quantitativem Basiswissen, um die verfahrenstechnischen Auswirkungen von Rissen fundiert bewerten zu können. An diesem Punkt setzt das aktuelle Forschungsvorhaben an.
Forschungsansatz und Methodik
Entgegen dem üblichen Ansatz, Risse vorab schlichtweg vermeiden zu wollen, wird in diesem Projekt das Verständnis der Auswirkungen vorhandener Risse geschaffen und es werden Strategien zur Reduktion dieser Auswirkungen entwickelt. Im ersten Schritt wird hierzu eine Methode erarbeitet, um reproduzierbare, geometrisch definierte Risse in einem Filterkuchen zu bilden. Die Auswirkungen verschiedener Rissgeometrien werden anschließend experimentell in Labornutschen, qualitativ über Farbversuche und quantitativ über Waschversuche untersucht. Parallel dazu erfolgt eine theoretische Modellierung in COMSOL, die anhand der experimentellen Befunde validiert bzw. revidiert wird.
Erste Farbversuche zeigen bereits ein deutliches Bild. In den folgenden Abbildungen ist links ein ebener Filterkuchen (ohne Riss) und rechts ein Filterkuchen mit künstlich erzeugtem Riss zu erkennen. Für den Waschprozess wurde die Waschflüssigkeit mit blauer Lebensmittelfarbe eingefärbt, um deren Strömungswege ersichtlich zu machen. Es ist deutlich erkennbar, dass die durch den Riss beeinflusste Strömung (Kurzschlussströmung) ineffizienter ist und die Rissflanken nur schlecht durchströmt werden (Kuchenhöhe: 3 cm, Druckdifferenz: 0,5 mbar, Waschverhältnis: 0,33).
Erste Simulationen decken sich mit den Ergebnissen der Farbversuche. Für einen ebenen Filterkuchen sieht die Durchströmung des Filterkuchens mit der Waschflüssigkeit wie folgt aus:
Für einen Filterkuchen mit Riss ergibt sich dagegen ein deutlich unterschiedliches Bild:
Praxistransfer und Nutzen für die Industrie
Um die Übertragbarkeit der Laborerkenntnisse auf den Pilotmaßstab zu prüfen, werden im weiteren Projektverlauf experimentelle Untersuchungen an einem Taktbandfilter (0,1 m²) durchgeführt. Darauf aufbauend werden übergreifende Strategien zur Reduktion der Rissauswirkungen erarbeitet, wie beispielsweise eine veränderte Waschwasseraufgabe oder eine partielle Resuspendierung der Kuchenschicht. Mit diesen neuen Erkenntnissen können Unternehmen als Planer, Hersteller oder Betreiber entlang der Wertschöpfungskette künftig ihr Filterdesign und den Filterbetrieb sicherer, schneller und ressourceneffizienter auslegen.
Das IGF-Vorhaben Nr. 01IF23518N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Stand: 30.07.2026
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Prof. Dr. Bernhard Hoffner M. Sc. Peter Hartmann M. Sc. Nico Lützel |
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