Feine Tröpfchen separieren

Der Autor: Dipl. -Ing. W. Heikamp Bereichsleitung Umwelt- und Verfahrenstechnik, Rhodius

Unter einer Emulsion versteht man ein Gemisch aus zwei normalerweise nicht mischbaren Flüssigkeiten. Dabei besteht die Emulsion aus einer kontinuierlichen und einer dispersen Phase, die als Tropfen in der kontinuierlichen Phase verteilt sind. Zur Abtrennung von Feinsttropfen (kleiner 20 µm) aus einer umgebenden Flüssigkeit stehen heute mehrere Verfahren wie Zentrifugen, Hydrozyklone, Elektrokoaleszierer und Drahtgestricke zur Verfügung. Die im Einzelfall anzuwendende Methodik richtet sich u. a. nach der abzuscheidenden Tropfengröße der dispersen Phase.

Lediglich Feinsttropfen-Separatoren sind in der Lage, Emulsionen mit einer repräsentativen Tropfengröße kleiner 20 µm effizient und wirtschaftlich zu trennen. Die Feinsttropfen-Separatoren bestehen aus einem Behälter mit integrierten Koaleszenzelementen. Der Behälter kann nach den üblichen technischen Regelwerken gefertigt werden.

Die Elemente sind in zwei unterschiedlichen Arten verfügbar. Eine Ausführung besteht aus Nonwoven-Fasermaterialien (Kunststoff-, Edelstahl- und Glasfaser). Die zweite Form sind gepresste Drahtgestricke hoher Dichte, die aus Edelstählen bzw. Sonderstählen bestehen und mit Kunststoff-, Metall-, Kohlenstoff- und Glasfasermaterialien kombiniert werden können. Die breite Auswahl an Materialien ermöglicht den Einsatz von Feinsttropfen-Separatoren in nahezu allen bekannten Anwendungsfällen.

Die zu trennende Emulsion tritt in den Einleitbereich des Behälters ein und wird dort auf die Elemente verteilt. Die Trennelemente werden radial von innen nach außen durchströmt, wobei die Tropfen sich am Draht bzw. der Faser anlagern und an den Draht bzw. Faserkreuzungen zu größeren Tropfen koaleszieren. Die so koaleszierten Tropfen bilden eine homogene Phase innerhalb des Filtermediums. Diese Phase nimmt solange zu, bis diese im Gleichgewicht mit dem treibenden Druck steht.

Danach lösen sich an der Abströmseite des Elementes große Tropfen ab und trennen sich durch den Dichteunterschied zu einer leichten und einer schweren Phase. Der Restgehalt an disperser Phase in der kontinuierlichen Phase kann so bis zur Löslichkeitsgrenze gesenkt werden.

Die nun zusammenhängende Tropfenphase sowie die gereinigte kontinuierliche Phase können jetzt gezielt aus dem Behälter herausgeführt werden. Die Feinsttropfen-Separatoren arbeiten kontinuierlich und zeichnen sich zusätzlich durch geringe Investitions- und Betriebskosten aus. Als mess- und regelungstechnische Einrichtungen sind lediglich eine Differenzdruckmessung und eine Trennschichtregelung erforderlich.

Die Elemente bestehen aus einem porösen Gebilde mit definierter Porenstruktur. Diese kann in einem weiten Bereich eingestellt werden. Die Elemente mit Faserstruktur sind für normale Aufgaben mit dem Fokus auf Druckverlust und Kosten optimiert. Fasern von 1 bis 30 µm sind standardmäßig verfügbar. Die Nachteile sind Schmutz und Druckempfindlichkeit. Diesen Nachteilen kann durch geringere Durchflussgeschwindigkeiten und durch eine Vorfiltration entgegengewirkt werden.

Gepresste Drahtgestrick-Trennelemente sind eine hervorragende Alternative zu gewickelten Trennelementen. Sie sind mechanisch druckstabil und eine Rückspülung in umgekehrter Durchflussrichtung ist möglich. Die Kombination von Edelstahl mit z. B. Kunststofffasern bietet außerdem die Möglichkeit, multiple Emulsionen zu trennen. Dieser Vorteil resultiert aus der Kombination von hoch mit niedrig energetischen Oberflächen, was zu einer verbesserten Trennleistung führt.

Die große Anzahl der Parameter bietet nicht nur eine breite Variationsmöglichkeit, sondern auch eine riesige Palette an Versuchsoptionen. Um diese zu verringern, wird immer wieder versucht, eine geeignete Basis zu finden und per Simulation einige Parameter zu ermitteln. Größtenteils ist es gelungen, Geometriedaten und deren Einfluss auf die Strömung durch ein Simulationstool ohne aufwendige Versuche zu bestimmen. Der Druckverlust, die Durchlässigkeit, tatsächlich durchströmte Länge und die kennzeichnende Porengröße sind die wesentlichen simulationstechnisch bestimmbaren Parameter. Benetzungsverhalten und Sättigung sind nicht so eindeutig zu eruieren.

Heute werden Feinsttropfenkoaleszenz-Abscheider in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt. Beispiele hierfür sind die Biodieselproduktion, Methylester/Glyzerin-Trennung, die Kondensatentölung oder die Quecksilberabtrennung aus Natronlauge. Ein Beispiel zeigt exemplarisch die Vorteile.

Bei der Produktion von Kunststoffen werden in verschiedenen Verfahrensstufen hochviskose organische Lösungen mit wässrigen Fluiden gereinigt. Durch die geringen Sedimentationsgeschwindigkeiten sowie den langen Koaleszenzzeiten bleiben wässrige Verunreinigungen in der organischen Phase zurück. Faser-Koaleszenzabscheider haben sich hier nur bedingt bewährt, da der hohe Druckverlust eine Komprimierung der Faserschicht zur Folge hat.

Dies führt wiederum zu einer Erhöhung des Druckverlustes, wodurch eine Kompaktierung der Fasern erfolgt, was schließlich zu einer Beschädigung des Trennelementes führen kann. Als Alternative konnten gepresste Drahtgestrick-Elemente erfolgreich eingesetzt werden. Diese sind mechanisch stabil und garantieren somit dauerhaft eine gute Abscheideleistung bei gleichbleibendem Druckverlust.

Halle 5.1, Stand B64

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