VT 1 Labor Revision : 02. Filtration

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1 Labor für Mechanische erfahrenstechnik Seite 1 1. Grundlagen der Kuchenfiltration nennt man die Trennung einer Suspension in die Komponenten iltrat und ilterkuchen mit Hilfe einer für das iltrat durchlässigen Schicht (ilterschicht). Diese ilterschicht besteht aus dem iltermittel (z.b. ilterpapier einschließlich ilterstütze) und der darüber sich bildenden ilterkuchenschicht, s. Bild 1. Der disperse eststoff wird im ilterkuchen zurückgehalten. Das iltrat ist im Idealfall feststofffrei. Neben der beschriebenen rt der Kuchenfiltration gibt es grundsätzlich auch die Möglichkeiten der Tiefenfiltration und der Membranfiltration. Suspension ilterkuchen ilterschicht iltermittel ilterstütze h iltrat Bild 1: rinzip der Kuchenfiltration Zu Beginn des iltervorgangs werden die eststoffanteile der Suspension vom iltermittel zurückgehalten. Dabei beeinflussen vor allen Korngrößenverteilung und Kornform des abzutrennenden eststoffes den weiteren rozessverlauf. Durch Brückenbildung werden die eststoffteilchen bereits an der Oberfläche des sich zu bildenden ilterkuchens abgeschieden und bauen den ilterkuchen auf (Oberflächenfiltration). Wenn kleinere Teilchen nicht vollständig an der Oberfläche zurückgehalten werden, sondern mit der Durchströmung des ilterkuchens in diesen eindringen und sich dort anlagern, liegt keine ideale Oberflächenfiltration vor. Beim Durchströmen der ilterschicht treten z.t. erhebliche Druckverluste auf. Um diese in erträglichen Grenzen zu halten, wählt man die orenweite des iltermittels meist größer als die feinsten eststoffteilchen in der Suspension. Das iltrat ist daher in der nfangsphase noch etwas trüb. Erst wenn sich auf dem iltermittel eine hinreichend starke Kuchenschicht gebildet hat, übernimmt diese die eigentliche ilterfunktion und das iltrat läuft klar ab. Das heißt, nach bschluss der nlaufphase enthält das iltrat überhaupt keine eststoffe mehr oder nur vernachlässigbar geringe nteile. Der in der ilterschicht auftretende Druckverlust muss durch einen Druckunterschied zwischen der Zulaufund der blaufseite der ilterschicht kompensiert werden. Diese Druckdifferenz entsteht z.b. durch das Gewicht der Trübeschicht über dem Kuchen (s. Bild 1).

2 Labor für Mechanische erfahrenstechnik Seite 2 p g h (1) ür technische rozesse sind größere Druckdifferenzen erforderlich, die auf der Zulaufseite durch einen Überdruck bzw. auf der blaufseite durch einen Unterdruck erzeugt werden. 2. Berechnungsformeln für die Kuchenfiltration im Chargenbetrieb Bei der Berechnung von sprozessen geht man von der allgemeinen iltergleichung aus. d p (2) dt xs 1 xs xk Erfolgt die bei konstanter Druckdifferenz xs 2p 1x x S K ² pt p, ergibt die Integration der Gleichung (2): (3) Der massebezogene spezifische Durchflusswiderstand des ilterkuchen α und der spezifische Durchflusswiderstand des iltermittel β müssen zur uslegung eines ilterprozesses experimentell ermittelt werden. Durch die Umstellung der Gleichung (3) nach den messtechnischen erfassbaren Daten von spezifischen iltratvolumen und szeit t ergibt sich folgende Geradengleichung: t xs (4) 2 p 1 xs xk p Im rechtwinkligen Koordinatensystem (s. Bild 2) ist die Gerade dargestellt, wobei aus dem nstieg der Geraden tan γ = a/b der α-wert errechnet werden kann: 2 p(1 xs xk) a (5) xs b Mit Hilfe des Ordinatendurchgangs Y kann der β-wert bestimmt werden : Y (6) p Der eingestellte Druckverlust beim Durchströmen der ilterschicht sowie Eigenschaften des abzutrennenden eststoffes aus der Suspension und Stoffdaten der lüssigkeit beeinflussen die Struktur des sich bildenden ilterkuchens.

3 Labor für Mechanische erfahrenstechnik Seite 3 t/ a tan γ = a/b b Y Bild 2: Darstellung der iltergeraden Die Höhe des ilterkuchens ist dem iltratvolumen proportional: mit und r H 1 r r x S (8) xs K (9) x K x (7) Gleichung (9) ist nur gültig, wenn x K die euchte des mit iltrat gesättigten Kuchens ist. Beim Durchströmen von estbettschichten kann zur Berechnung des Druckverlustes die Gleichung von ERGUN herangezogen werden. ls wesentliche Einflussgrößen gehen das spezifische Lückenvolumen ε und die volumenspezifische Oberfläche des dispersen eststoffes S n d (n = nzahl der eststoffteilchen) ein. ür den volumenbezogenen Druckverlustbeiwert gilt nach ERGUN: 2 p = 150 (1 ) d (10) Mit der Umrechnung = /[(1- ) ] ergibt sich der massebezogene spezifische Durchflusswiderstand.

4 Labor für Mechanische erfahrenstechnik Seite 4 3. ilterpressen ilterpressen werden bis zu 1000 m 2 ilterfläche und für Drücke bis zu 15 bar gebaut. Die ilterfläche kann durch Hinzufügen oder Entfernen von ilterelementen leicht verändert werden. Man unterscheidet zwischen Kammer- und Rahmenfilterpressen. Die im ersuch verwendete Rahmenfilterpresse hat den orteil, dass der Wechsel des iltermittels besonders einfach ist. Dies ist immer dann bedeutsam, wenn aus hygienischen Gründen (Lebensmittel- und Getränkeindustrie) ein häufiger Wechsel des iltertuches erforderlich ist. Der ufbau der Rahmenfilterpresse ist aus Bild 3 zu ersehen. Nach dem Einlegen des iltermittels (z.b. ilterpapier, iltertuch) wird der erschluss gespannt. Die Reihenfolge der latten und Rahmen ist durch gravierte Ziffern gekennzeichnet. Die Beschickung der Labor- ilterpresse mit Suspension erfolgt über einen Druckbehälter, in dem die Suspension nach orgaben gerührt wird. Bild 3: Labor- Rahmenfilterpresse Der maximale lüssigkeitsüberdruck beträgt 6 bar. Der iltereinsatz (5 ilterplatten und 4 ilterrahmen) besteht aus: - 4 ilterkammern mit insgesamt 955 cm³ üllinhalt und - 8 möglichen ilterflächen mit einer ilterfläche von je = 96 cm². In Summe also 8*. ilterplatten und -rahmen sind aus poliertem, klarem lexiglas, welches eine Beobachtung aller orgänge im Innern der ilterpresse ermöglicht. Um die optischen Eigenschaften des lexiglases zu erhalten, sind zur Reinigung nur weiche Tücher zu verwenden.

5 Labor für Mechanische erfahrenstechnik Seite 5 4. ufgabenstellung und uswertung Es sollen zwei ersuche bei jeweils p = konst. gefahren werden. Ziel dieser ersuche soll die Ermittlung der spezifischen Durchflusswiderstände des Kuchens und des iltermittels sein. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dass die Zeiten gemessen werden, in denen bestimmte iltratvolumina in kalibrierten Gefäßen aufgefangen werden. Nach Beendigung eines ersuchs werden die Kuchenhöhen gemessen, die Kuchen gewogen, getrocknet und abermals gewogen. us den so gewonnenen Werten wird die Kuchenfeuchte ermittelt und die orosität berechnet. Der Laborbericht soll folgende unkte enthalten: - Beschreibung der ersuchsdurchführung - Tabellarische Zusammenstellung der Messwerte - Zeichnen der iltergeraden - Berechnung der -Werte und -Werte - ergleichsrechnung für und nach ERGUN - Berechnung der Kuchenhöhe nach Gl. (7) und ergleich mit den entsprechenden Messwerten - tabellarische Zusammenstellung aller Ergebnisse - Diskussion der Ergebnisse 5. ormelzeichen ilterfläche m² H ilterkuchenhöhe m m lüssigkeitsmasse in der Suspension kg m K Masse der lüssigkeit im Kuchen kg m Masse des eststoffs im Kuchen bzw. in der Suspension kg p Druckdifferenz N/m² r olumenanteil des eststoffs in der Suspension m³/m³ t ilterzeit s iltratvolumen m³ iltratvolumen auf ilterfläche bezogen ( ) m³/m² olumen der lüssigkeit m³ olumen des eststoffs im Kuchen bzw. in der Suspension m³ Lückenvolumen im Kuchen m³

6 Labor für Mechanische erfahrenstechnik Seite 6 mk x K Kuchenfeuchte ( xk ) - m m x S Massenverhältnis in der Suspension ( xs ) - m volumenbezogener spezifischer Durchflusswiderstand Kuchen m -1 massebezogener spezifischer Durchflusswiderstand Kuchen m/kg spezifischer Durchflusswiderstand des iltermittels m -1 spezifisches Lückenvolumen im Kuchen ( ) m³/m³ dynamische iskosität der lüssigkeit N s/m² Dichte der lüssigkeit kg/m³ eststoffdichte kg/m³ 6. Literatur Stieß, M.: Mechanische erfahrenstechnik 2,. Springer -erlag Berlin Heidelberg New York 1994

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