Vertikale Plattenfilter sind zwar noch in einigen Branchen im Einsatz, beispielsweise bei der Extraktion und Reinigung von Speiseölen, doch für viele Prozesse in der chemischen Industrie liefern sie keine zufriedenstellenden Ergebnisse, weil sie aufgrund der flachen Bauweise der Elemente nicht effizient gereinigt werden können.
Horizontale Plattenfilter mit rotierender Kuchenabreinigung, sogenannte Tellerdruckfilter, weisen eine ähnliche Problematik wie vertikale Plattenfilter auf, zudem können die bewegten Teile im Filter Probleme bereiten. Daher findet auch diese Art von Filtern in der chemischen Industrie heute nur mehr in Nischen Anwendung.
In den vergangenen drei Jahrzehnten wurden Tellerdruckfilter von Kerzenfiltern abgelöst. Diese kommen ohne bewegte Teile aus und bestehen aus einer runden Stützstruktur, die auf der Außenseite mit einem gewebten Filtermaterial, dem Filterschlauch, bespannt sind. Die Filterschläuche lassen sich rückspülen, wodurch auch Partikel aus den Poren des Gewebes entfernt werden.
Filteroptimierung als Ziel
Lenzing Filtration hat bereits seit Jahrzehnten die Optifil und Viscofil-Rückspülsysteme für niedrig- bis hochviskose Flüssigkeiten im Sortiment. Diese Filter zeichnen sich durch die Möglichkeit aus, besonders fein zu filtrieren. Die Grenzen liegen bei 3 µm absolut und ca. 0,5 % Feststoff im Zulauf.
In den letzten Jahren erhielt das Unternehmen viele Anfragen bezüglich Filtrationssystemen, die noch feiner filtrieren und höhere Feststoffkonzentrationen im Zulauf bedienen können. Auch wurde in Gesprächen mit Anwendern deutlich, dass die Filterschläuche von Kerzenfiltern oft eine begrenzte Lebensdauer haben und häufig chemisch gereinigt oder gewechselt werden müssen.
Vergleichstests in Pilotanlage
2022 meldete Lenzing Filtration die Kerze und das Design seiner Cakefil-Technologie zur Kuchen- und Anschwemmfiltration zum Patent an. Bei diesem vollautomatischen Filtersystem bewirkt Druck die Filtration von sehr feinen Partikeln. Der Feststoff kann entweder pumpfähig als Schlamm ausgetragen oder nach vorheriger Kuchenwäsche und -trocknung in Schollenform abgeworfen werden. Die spezielle Geometrie der Filterkerzen sorgt dabei für einen effizienten Kuchenabwurf.
Um die Vorgänge bei der Rückspülung zu verstehen und verschiedene marktübliche Filterkerzen mit der Cakefil-Kerze zu vergleichen, baute Lenzing eine Pilotanlage für eine Filterkerze in Produktionslänge (2,5 m) mit einem Druckbehälter aus Glas.
Drei verschiedene Kerzensysteme wurden mit einer Mischung aus Wasser und Filterhilfsmittel (feines Perlitpulver) getestet. Die Rückspülung erfolgte in allen drei Fällen durch Filtrat, das mit Druckluft von der Innenseite durch das Filtertuch gedrückt wurde, sowie mit anschließender Unterstützung durch nachströmende Luft.
Bei Ausführung A handelt es sich um eine runde Kerze mit einer perforierten Stützstruktur aus Kunststoff. Die Kerze ist unten geschlossen und oben offen. Die offene Oberseite wird mit einem Filtratraum über eine gelochte Platte verbunden. Die Rückspülung erfolgt über Einleitung von Filtrat oder Druckluft an der oben offenen Seite der Kerze. Dies ist die einfachste bekannte Ausführung einer rückspülbaren Filterkerze.
Ausführung B ist eine Filterkerze mit sechs perforierten Außenrohren und einem nicht perforierten Innenrohr, wobei die äußeren Rohre mit dem Innenrohr nur an der Unterseite verbunden sind. Bei dieser Ausführung wird sowohl das Filtrat während der Filtration als auch das Filtrat bzw. die Druckluft während der Rückspülung über das untere Ende der Filterkerze geführt. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass die hohen Turbulenzen der Druckluftrückspülung nach unten geführt werden und sich dadurch von unten nach oben über die gesamte Länge der Filterkerze ausbreiten können.
Die Ausführung C ist die jüngst patentierte Filterkerzenausführung für das Cakefil-System. Sie hat einen Stützkörper, der nach außen hin offen ist. Anstatt einer perforierten Oberfläche besitzt diese Ausführung axial verlaufende Stege, die das Filtertuch stützen. Auf diese Weise entstehen Kammern, die das Filtrat nach unten ableiten, sodass es, ähnlich wie bei Ausführung B, über ein zentrales, nicht perforiertes Rohr in Richtung Filtratkammer abfließt.
Beobachtung im Zeitraffer-Video
Wie eine Betrachtung in Zeitraffer-Videos zeigte, konnte bei allen drei Filterkerzen der Filterkuchen abgeworfen werden. Ausführung A zeigte sehr hohe Turbulenzen im oberen Bereich, die unteren 80 % der Filterfläche zeigten keinerlei Rückspülung, jedoch rutschte der Filterkuchen entlang der Oberfläche des Schlauches nach unten und konnte so gemeinsam mit der im Filter befindlichen Suspension ausgetragen werden.
Die Ausführungen B und C zeigten auch im unteren Bereich hohe Turbulenzen, die auf eine echte Rückspülung hinwiesen, subjektiv mit leicht weniger Intensität im oberen Bereich der Kerze bei Ausführung B. Solide Rückschlüsse auf Standzeit und Unterschiede in der Leistung der Filterkerzen konnten nicht getroffen werden, insbesondere da es mit allen drei Ausführungen gelang, einen gleichmäßigen Filterkuchen aufzubauen.
Langzeitversuche mit Calciumcarbonat
Um Unterschiede in der Rückspüleffizienz nachzuweisen, wurde eine Calciumcarbonat-Aufschlämmung in Wasser mit einer Konzentration von 3 Gew.-% angesetzt. Mit dieser wurden mit allen drei Kerzenausführungen jeweils 85 Zyklen aus Kuchenbildung und Rückspülung durchgeführt und im Anschluss mit Wasser gespült. Das Filtertuch wurde anschließend in eine definierte Menge Schwefelsäure getaucht, um das in den Poren verbliebene Calciumcarbonat zu lösen. Schließlich wurde die Menge an Calciumcarbonat in der Schwefelsäure chromatografisch gemessen und in Gramm pro Quadratmeter Filterfläche umgerechnet.
Ausführung A enthielt nach 85 Rückspülungen eine Menge an Calicumcarbonat-Partikeln von 96 g/m2 in den Poren, Ausführung B bei gleichen Bedingungen 67 g/m2, Ausführung C dagegen nur 22 g/m2. Diese Unterschiede liegen am besonders niedrigen Widerstand gegen Durchströmung während der Rückspülung aufgrund der Stützkonstruktion der Cakefil-Filterkerze.
Effiziente Partikelentfernung
Durch die beschriebenen Versuche konnte nachgewiesen werden, dass mit der Entwicklung der Cakefil-Kerze ein Filtersystem zur Verfügung steht, das die Partikel aus den Poren des Filtermaterials besonders effizient entfernt. Gleichzeitig ist die Herstellung kostengünstig und bei den meisten Prozessen muss das Filtertuch nicht oft gewechselt werden. Das Cakefil-System eignet sich z. B. für die Filtration von petrochemischen Produkten, Säuren, Laugen und Chemikalien.
Lenzing Filtration AG, Lenzing, Österreich
Autor: Stefan Strasser
Produktmanager Automatische Filtration,
Lenzing Filtration
