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Filterpressen richtig beschicken

Kolbenmembranpumpen sorgen für einen gleichmäßigen Kuchenaufbau
Filterpressen richtig beschicken

Kammerfilterpressen eignen sich zur Entwässerung von Schlämmen. An die Beschickungspumpe werden hohe Anforderungen im Hinblick auf Medienbeständigkeit und Lebensdauer gestellt. Vor allem die Unterhaltskosten, insbesondere die Energiekosten, für diese Anlagen sind in den letzten Jahren immer weiter in den Fokus gerückt. Durch eine geschickte Wahl und optimale Ausführung der Beschickungspumpe kann die Kostenbilanz einer Anlage allerdings positiv beeinflusst werden.

Dipl.-Ing. (FH) Markus Pandorf, Dipl.-Ing. (FH) Reiner Arenz

Filterpressen sind statische Druckfilter. Sie werden benutzt, um bei Suspensionen oder Schlämmen möglichst schnell und vollkommen die beiden Phasen fest/flüssig voneinander zu trennen. Dazu wird das zu filternde Medium durch ein Filtertuch gepresst. Die Feststoffe verbleiben im Filterelement und die Trägerflüssigkeit läuft ab.
Für den effizienten Betrieb der Filterpresse ist ein gleichmäßiger Aufbau des Filterkuchens erwünscht. Dies muss pumpenseitig durch einen konstanten Förderstrom und eine entsprechende Filtrationsgeschwindigkeit realisiert werden. Nach Erreichen des Grenzdruckes sollte der Förderstrom derart abgeregelt werden, dass der Druck konstant bleibt. Pulsierende Strömungen stören den Kuchenaufbau und führen zu mechanischer Beanspruchung der Filterelemente.
Die Anforderungen an eine Filterpressenbeschickungspumpe sind daher klar definiert: Niedrige Betriebskosten durch hohen Wirkungsgrad, pulsationsfreier Förderstrom, unempfindlich gegen verschmutze Medien sowie selbstansaugend und trockenlaufsicher. Dazu kommt eine lange Lebensdauer und eine hohe Flexibilität durch variable Werkstoffe.
Vorteile von Verdrängerpumpen
Die gestellten Anforderungen an die Filterpressenbeschickung werden von einer Kolbenmembranpumpe in hohem Maße erfüllt. Aus der Trennung von Arbeitsfluid und Fördermedium ergibt sich ein geringer Verschleiß der bewegten Teile und somit eine hohe Lebensdauer der gesamten Pumpe. Die geforderten Filtrationsdrücke sind nur durch den Einsatz von Kolbenpumpen zu erreichen. Nachteilig ist die mäßige Fördermenge einer Kolbenpumpe, so dass häufig, insbesondere bei großen Filterpressen, eine Strömungspumpe zum Vorfüllen und eine Kolbenpumpe zum eigentlichen Filtrieren verwendet wird.
Größter Nachteil einer Kolbenpumpe ist die unstetige Förderung, die sich aus ihrem wesentlichen Funktionsmerkmal ableitet: durch die unterschiedliche Kolbengeschwindigkeit des Kurbeltriebs und die Richtungswechsel des Kolbens in den Totpunkten entsteht ein pulsierender Förderstrom. Dies führt zu starker Belastung der gesamten Anlage und muss unbedingt durch konstruktive Maßnahmen verhindert werden. Dies kann zum einen durch pulsationsdämpfende Elemente in der Druck- und Saugleitung geschehen und zum anderen durch Verwendung mehrzylindriger Pumpen. Je größer die Anzahl der Verdränger ist, desto geringer ist grundsätzlich die Amplitude der Pulsation. Gleichzeitig steigt jedoch die Frequenz an, so dass die Pulsation unter Umständen wieder vergrößert wird. Die dreizylindrige Ausführung (Triplex) hat sich als Optimum bezüglich Laufruhe herausgestellt.
In der Praxis setzt man daher gerne mehrzylindrige Pumpen in Kombination mit zusätzlich wirkenden pulsationsdämpfenden Elementen in Form von Druckspeicherkesseln oder Stoßdämpfersystemen ein.
Eine Strömungspumpe kann niemals selbst ansaugen, da sie weder Ventile noch mechanische Dichträume besitzt. Dies ist durch eine Kolbenpumpe immer gegeben, so dass auch ohne Vordruck in der Saugleitung gearbeitet werden kann.
Schnelllaufende Kolbenmembranpumpen
Bei langsamlaufenden Kolbenmembranpumpen sorgt die niedrige Kolbengeschwindigkeit für hohe Verschleißfestigkeit und Laufruhe. Allerdings sind zum Erreichen hoher Förderströme große Pumpen nötig. Durch Erhöhung der Drehzahl kann bei gleich bleibender Pumpengröße ein höherer Förderstrom erreicht werden. Hierdurch ergeben sich eine Verkürzung der Lebensdauer der Verschleißteile sowie eine erhöhte Pulsation des Förderstroms. Zur Auslegung der maximal zulässigen Drehzahlen ist das Fördergut von entscheidender Bedeutung. Die Auslegung einer Kolbenmembranpumpe muss daher auf den jeweiligen Prozess exakt abgestimmt sein.
Der erhöhte Verschleiß wird bei schnelllaufenden Pumpen durch konstruktive Maßnahmen, meist hochwertigere Werkstoffe, ausgeglichen. Zur Erhöhung der Laufruhe ist eine ausreichend dimensionierte Pulsationsdämpfung vorzusehen. Diese erfolgt idealerweise durch Membranstoßdämpfer. Sie bestehen aus einem in die Förderleitung integriertem Druckbehälter, in dem sich ein durch eine Membrane vom Fördermedium getrenntes Gaspolster befindet.
Durch effiziente Pulsationsdämpfung ist mit schnelllaufenden Kolbenmembranpumpen eine wesentliche Steigerung der Fördermenge bei gleich bleibender Baugröße der Pumpe in Abhängigkeit von dem zu verpumpenden Fördergut möglich.
Kostenreduktion durch effiziente Regelung
Jede Kolbenmembranpumpe benötigt ein System zur Regelung der Hydraulikflüssigkeit. Zum Ausgleich von Leckage, die aufgrund der niemals absolut leckfreien Kolbenabdichtung immer vorhanden ist, muss stets Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter nachgeholt werden. Bei Erreichen des Filtrationsenddrucks strömt bei jedem Druckhub des Kolbens die Hydraulikflüssigkeit durch das Überdruckventil in den Vorratsbehälter. Durch die so verringerte Menge an Hydraulikflüssigkeit im Arbeitsraum nimmt die Membranamplitude ab. Bei jedem Saughub des Kolbens muss die Flüssigkeit wieder in den Arbeitsraum nachgeholt werden. Dieser Kreislauf lässt sich rein mechanisch einfach regeln. Die Förderleistung der Pumpe nimmt beim Druckanstieg ab, die Pumpe passt sich automatisch dem Filtrationsvorgang an. Das Arbeitsmedium wird nach dem Erreichen des Filtrationsenddrucks zwischen Arbeitsraum und Vorratsbehälter hin- und hergepumpt. Die Membrane verbleibt in ihrer hinteren Endlage. Durch die mechanische Regelung verkürzt sich die Amplitude der Membrane bei Aufrechterhaltung des benötigten Förderdrucks, aber gleichzeitig reduzierter Fördermenge. Durch diese Kombination erfolgt eine pulsationsarme und schonende Befüllung der Filterpresse.
Einsatz von Frequenzumformern
Durch den fortlaufenden Überström- und Nachholvorgang erwärmt sich das Arbeitsmediums mit der Zeit. In der Regel ist dies unkritisch. Bei Verwendung von Motoren mit Frequenzumformer lässt sich diese Erwärmung aber reduzieren. Durch ein zusätzliches Herunterfahren der Drehzahl des Motors beim Erreichen des Filtrationsenddrucks wird darüber hinaus Energie eingespart. Diese Energiekosten müssen den Investitionskosten für den Frequenz-umformer und zugehöriger SPS-Steuerung mit Sensorik gegenübergestellt werden. Je nach Anwendungsfall ist zu entscheiden, ob man die mechanische oder zusätzlich die frequenzgeregelte Lösung bevorzugt.
Durch frequenzgesteuerte Motoren ist ein Sanftanlauf der Pumpe bei hohem Drehmoment möglich. Alternativ kann dies aber auch durch eine einfache mechanische Sanftanlaufregelung erreicht werden.
Schonende Förderung
Die Kolbenmembranpumpe ist im Gegensatz zu einer Strömungspumpe eine klassische Verdrängerpumpe. Durch die gegenüber einer Strömungspumpe relativ langsamen Fließgeschwindigkeiten und der damit verbundenen langsamen Saug- und Druckbewegung der Membrane ist ein schonender Transport des feststoffbeladenen Fördergutes gewährleistet. Lediglich im Bereich der Saug- und Druckventile besteht die Gefahr einer Zerschlagung der festen Bestandteile. Die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten liegen hier jedoch je nach Fördergut nur zwischen 0,5 und 3 m/s. Daher werden auch in diesem Bereich lediglich wenige Feststoffteilchen beschädigt.
Lebenszykluskosten
Oft ist der Kaufpreis für eine Pumpe das primäre Kaufkriterium. In den Lebenszykluskosten spielt er jedoch eine eher untergeordnete Rolle. Kosten für Verschleißteile und insbesondere die Energiekosten machen einen Großteil der Gesamtkosten aus. In Bild 5 sind Kaufpreis, Verschleißteil- und Energiekosten gegenübergestellt, bezogen auf die einzylindrige Kolbenmembranpumpe als Standard. Hier zeigen sich deutlich die Vorteile der Kolbenmembranpumpe: Durch die Trennung von Arbeits- und Fördermedium sind die Verschleißteilkosten sehr gering. Bei der Kreiselpumpe ist der Kontakt des Laufrades mit dem Fördermedium unvermeidbar und verursacht hohen Verschleiß. Die Antriebsenergie wird von der Kolbenmembranpumpe in Triplexausführung am effizientesten umgesetzt. Bei der vermeintlich preiswerten druckluftbetriebenen Pumpe übersteigen die Energiekosten den Kaufpreis um ein Vielfaches.
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