mechanische verfahrenstechnik (bohnet/mechanische verfahrenstechnik) || mechanische trennverfahren

4Mechanische Trennverfahren

Die mechanischen Trennverfahren spielen in einer Vielzahl von Prozessen der me-chanischen Verfahrenstechnik und der Aufbereitung eine hervorragende Rolle. Sieumfassen Abscheide-, Klassier- und Sortierprozesse, je nachdem, ob es sich um einvollst�ndiges Trennen der festen dispersen Phase von der gasf�rmigen oder fl�ssi-gen Phase (Abscheiden) oder einer Trennung der dispersen Phase in zwei odermehr Gr�ßen- bzw. Sinkgeschwindigkeitsklassen (Klassieren) oder um das Trennennach der Feststoffdichte, d.h. der Materialart (Sortieren) handelt.

4.1

Kennzeichnung einer Trennung

In Abbildung 4.1 ist die Massen-Verteilungsdichtekurve qð0Þ3 ðdÞ eines auf einen

Trennapparat aufgegebenen Guts dargestellt. Bei einer idealen, bei dt durchgef�hr-ten Trennung gelangen alle Partikeln, die kleiner oder gleich dt sind, in das Feingut,alle gr�beren Partikeln in das Grobgut. Die mit v1 ¼ m1m0 bezeichnete, in Abbil-dung 4.1 schraffiert angegebene Fl�che, stellt deshalb den integralen Massenanteilaller Partikeln dar, die kleiner oder gleich d1 sind. �1 wird Feingut-Massenanteil ge-nannt. Infolge:

�1 þ �2 ¼m1

m0þm2

m0¼ 1 ð4:1Þ

entspricht die nicht schraffierte Fl�che in Abbildung 4.1 dem Grobgut-Massenanteil�2. Die Indices 0, 1 und 2 entsprechen dem Aufgabegut, Feingut bzw. Grobgut.

In Abbildung 4.2 sind die Massen-Verteilungsdichtekurven einer realen Trennungdargestellt. Dabei stellen qð0Þ3 ðdÞ die Massen-Verteilungsdichtekurve des Aufgabeguts,v1q

ð0Þ3 ðdÞ die Massen-Verteilungsdichtekurve des Feinguts und �2q

ð2Þ3 ðdÞ die Massen-

Verteilungsdichtekurve des Grobguts dar. Im Partikelgr�ßenbereich dmin �2 � d �dmax �1 kommen bei einer realen Trennung Partikeln sowohl im Feingut als auch imGrobgut vor. Die dargestellte Trennung l�ßt sich durch die in Tabelle 4.1 angege-

Abb. 4.1 Verteilungsdichtekurve q3(0)(d) des Aufgabegutes einer Trennung

1014.1 Kennzeichnung einer Trennung

Abb. 4.2 Verteilungsdichtekurven einer realen Trennung

Tab. 4.1 Massenbilanzen, Trenngrenzen, Trenngrad und Kennwerte der Trennsch�rfe vonTrennungen

Massenbilanzen:dmin � d � dmax 1 ¼ �1 þ �2dmin � d Q

ð0Þ3 ðdÞ ¼ �1Q

ð1Þ3 ðdÞ þ �2Q

ð2Þ3 ðdÞ

d bis dþ�d qð0Þ3 ðdÞ ¼ �1q

ð1Þ3 ðdÞ þ �2q

ð2Þ3 ðdÞ

Trenngrenzen:pr�parative Trenngrenze d50 �1q

ð1Þ3 ðd50Þ ¼ �2q

ð2Þ3 ðd50Þ

analytische Trenngrenze da �1 ¼ Qð0Þ3 ðdaÞ

�berschneidungs-Trenngrenze d0 1�Qð1Þ3 ðd0Þ ¼ Q

ð2Þ3 ðd0Þ

Trenngrad und Kennwerte der Trennsch�rfe:

Trenngrad T ¼ �2qð2Þ3 ðdÞ

qð0Þ3 ðdÞ

Merkmals-Kennwerte, wie z.B.Ecart Terra ET ¼ ðd75 � d25Þ=2Imperfektion 1 ¼ ET=d50Trennsch�rfe �25;75 ¼ d25=d75

Verteilungskurven-Kennwerte, wie z.B.:Feines im Aufgabegut A1 ¼ Q

ð0Þ3 ðdÞ

Grobes im Aufgabegut A2 ¼ 1�Qð0Þ3 ðdÞ

Feines im Grobgut A3 ¼ �2Qð2Þ3 ðdÞ

Grobes im Grobgut A4 ¼ �2ð1�Qð2Þ3 ðdÞÞ

Feines im Feingut A5 ¼ �1Qð1Þ3 ðdÞ

Grobes im Feingut A6 ¼ �1ð1�Qð1Þ3 ðdÞÞ

Ausbeute an Feingut A5=A1 ¼ �1Qð1Þ3 ðdÞ=Qð0Þ

3 ðdÞAusbeute an Grobgut A4=A2 ¼ �2ð1�Q

ð2Þ3 ðdÞÞ=ð1�Q

ð0Þ3 ðdÞÞ

Sichterwirkungsgrad ¼ A4

A2� A3

A1¼ �2ðQð0Þ

3 ðdÞ �Qð2Þ3 ðdÞÞ

Qð0Þ3 ðdÞð1�Q

ð0Þ3 ðdÞÞ

Trennkurven-Kennwerte, wie z.B.:Gesamtabscheidegrad Tges ¼ �2 ¼

Ðdmax

dmin

T ðxÞqð0Þ3 ðxÞdx

102 4 Mechanische Trennverfahren

Abb. 4.3 Trennkurve T(d) einer Trennung

Gleichungen in Form von Massenbilanzen sowie durch die Definition von Trenn-grenzen und von Kennwerten f�r die Trennsch�rfe beschreiben. Eine ausf�hrlicheDarstellung wird in [4.1] gegeben. Ziel der Kennzeichnung einer Trennung ist, ne-ben der Ermittlung einer Trenngrenze und von Kennwerten f�r die Trennsch�rfe,die Ermittlung der sogenannten Trennkurve. Dabei wird der Trenngrad T (vgl. Ta-belle 4.1) in Abh�ngigkeit von der Partikelgr�ße d aufgetragen. Man erh�lt z.B. denin Abbildung 4.3 dargestellten Kurvenverlauf. Aus der Lage und dem Verlauf derTrennkurve lassen sich die gew�nschten Kenngr�ßen ableiten.

4.2

Abscheiden von Partikeln aus Gasen

Abscheider haben die Aufgabe, feste oder fl�ssige Partikeln aus Gasen m�glichstvollst�ndig abzutrennen. Derartige Trennprozesse werden in der Verfahrenstechnikh�ufig durchgef�hrt, um entweder ein Produkt aus einem Gaskreislauf zur�ckzuge-winnen oder aber um das Gas vor seiner Weiterverwendung zu reinigen.

Große und wachsende Bedeutung besitzen die Abscheider im Bereich der Luft-reinhaltung, d.h. f�r die Begrenzung der Emission partikelf�rmiger Verunreinigun-gen in Abgasen. Auf diesem Gebiet ist die Aufmerksamkeit besonders auf eine wirk-same Abscheidung im Feinstaubbereich – etwa unterhalb 10 �m – zu richten.

Die Abtrennung wird dadurch erreicht, daß die Partikeln unter der Wirkung ver-schiedener Kr�fte innerhalb des Abscheiders aus dem Gas heraus in nicht durch-str�mte Zonen oder zu einer Kollektorfl�che gef�hrt werden [4.2]. Schwierigkeitenbereiten hierbei die feinen Partikeln, da die f�r eine Abtrennung ausnutzbaren mas-senproportionalen Kr�fte (Schwerkraft, Tr�gheitskraft) von der 3. Potenz des Parti-keldurchmessers abh�ngen. Andererseits sind die an den Partikeln angreifendenStr�mungskr�fte proportional der 1. bis 2. Potenz des Durchmessers. Je feiner diePartikeln sind, desto leichter werden sie von der Str�mung mitgeschleppt. Im

1034.2 Abscheiden von Partikeln aus Gasen

Feinstaubbereich m�ssen daher andere Mechanismen, vor allem elektrostatische Ef-fekte in verschiedenen Modifikationen oder Diffusionsvorg�nge, f�r die Abschei-dung eingesetzt werden. Neue Entwicklungsans�tze zielen vor allem auf eine ver-st�rkte Nutzung der Elektrostatik ab.

In der praktischen Anwendung findet man folgende vier Gruppen von Abscheide-verfahren:– Fliehkraftabscheider,– Naßabscheider,– Filter,– elektrische Abscheider.

4.2.1

Beurteilung von Abscheidern

F�r die Bewertung der Abscheideleistung eignet sich besonders der Trenngrad T ðdÞ(oft auch Fraktionsabscheidegrad genannt), da an Hand der Trennkurve auch un-mittelbar eine Aussage �ber das Verhalten im Feinstaubbereich getroffen werdenkann. Zu einer gegebenen Partikelgr�ßenverteilung im zugef�hrten Gas (Aufgabe-gut) qð0Þ3 ðdÞ kann bei bekanntem Trenngrad T ðdÞ auch der GesamtabscheidegradTges und die aus dem Abscheider austretende Feingutverteilung qð1Þ3 ðdÞ berechnetwerden (vgl. Tabelle 4.1):

Tges ¼ðdmax

dmin

T ðxÞqð0Þ3 ðxÞdx ð4:2Þ

qð1Þ3 ðdÞ ¼ q

ð0Þ3 ½1� T ðdÞ�

1�Ðdmax

dmin

T ðxÞqð0Þ3 ðxÞdxð4:3Þ

Bei der Auswahl eines Abscheiders ist der nach Gleichung (4.2) berechnete Ge-samtabscheidegrad mit dem, durch z.B. Emissionsgrenzwerte, vorgegebenen Soll-wert

Tges ¼ 1� cð1ÞT

cð0ÞT

ð4:4Þ

zu vergleichen (cT = Partikelkonzentration). Besonders bei hohen Abscheidegra-den ist es oft anschaulicher, die Reinigungswirkung nach dem Durchlaßgrad P zubeurteilen. Es ist:

P ¼ 1� Tges ¼cð1ÞT

cð0ÞT

ð4:5Þ


4.2.2

Ermittlung des Trenngrades

An den im Abschnitt 4.2.1 dargelegten Gleichungen wird die zentrale Bedeutungdes Trenngrades T ðdÞ erkennbar. Wegen unterschiedlicher, gleichzeitig oder be-reichsweise getrennt wirksamer Transportmechanismen (z.B. bei Faserfiltern oderelektrischen Abscheidern) kann die Trennkurve bei einigen Abscheidertypen Mi-nima und Maxima durchlaufen. Deshalb ist es wichtig, die Trennkurve in einemm�glichst weiten Bereich der Partikelgr�ße zu kennen.

Theoretische Beschreibung des TrennvorgangsEine allgemeine Theorie der Abscheider besteht in der Berechnung der realen Parti-kelbewegung im Abscheideraum. Diese Bewegung setzt sich aus der �berlagerungeiner determinierten Bewegung und einer Zufallsbewegung zusammen.

Die determinierte Bewegung erh�lt man aus der L�sung der Bewegungsglei-chung. Hier hat die numerische Simulation der Gas/Feststoff-Str�mung durch CFD(Computational Fluid Dynamics) erhebliche Fortschritte gebracht. Insbesondere diePartikelbahnberechnungen mit dem Euler-Lagrange-Verfahren erm�glichen einenvertieften Einblick in das Partikelverhalten. Schwierigkeiten k�nnen sich bei derModellierung der Str�mung ergeben, die oft mit starken Vereinfachungen verbun-den ist, weil die Beschreibung der Partikel-Wand-St�ße und der Partikel-Partikel-St�ße, die das Str�mungsverhalten maßgeblich beeinflussen, noch nicht in allenF�llen zufriedenstellend gel�st werden konnte.Trotz dieser Einschr�nkung hat sich die Berechnung der determinierten Bewe-

gung als sehr aufschlußreich f�r das Verst�ndnis der Vorg�nge und als sehr hilf-reich bei der Auslegung von Abscheidern erwiesen.

Der zufallsbedingte Bewegungsanteil resultiert aus thermischen und turbulentenSchwankungen der Str�mung und der Wechselwirkung zwischen den Partikeln.Die Berechnung dieses Anteils erfordert heute noch teilweise sehr einschr�nkendeAnnahmen. Immerhin l�ßt sich aber jetzt schon der Einfluß auf die Trennsch�rfeabsch�tzen. Eine genauere Erl�uterung dieser Ans�tze findet sich in [4.3], [4.4].

Experimentelle Bestimmung des TrenngradesAngesichts der verbleibenden Probleme bei der Vorausberechnung von Abscheidernund besonders auch f�r die Kontrolle von Praxisanlagen, stellt die experimentelleErmittlung von Trenngraden eine wichtige meßtechnische Aufgabe dar. Das Prob-lem besteht dabei in erster Linie darin, die Partikelgr�ßenverteilungen vor und nachdem Abscheider unverf�lscht zu messen. Die Verteilungen d�rfen durch das Meß-verfahren nicht ver�ndert werden. Dies bedeutet, dass einerseits die Probenahmerepr�sentativ erfolgen muss und dass andererseits keine Agglomerations- oderDesagglomerationsvorg�nge das Ergebnis beeinflussen d�rfen.

Als Meßtechnik sind daher vorzugsweise solche Verfahren zu w�hlen, bei denenentweder Partikeln vor der Mengenbestimmung fraktionierend getrennt und abge-schieden werden (z.B. Kaskadenimpaktoren, Zyklonkaskaden) oder bei denen aufeine Trennung verzichtet werden kann, da f�r die Messung keine Abscheidung er-


forderlich ist (optische Verfahren). Hierzu z�hlen Streulichtverfahren, die entwederals Z�hlverfahren das am Einzelteilchen gestreute Licht oder das am Kollektiv zu-gleich gebeugte Licht messen und analysieren. Diese Methoden besitzen außerdemden Vorteil, daß sie sehr schnell arbeiten. Damit k�nnen auch zeitlich ver�nderlicheEigenschaften (z.B. bei Filtern) aufgel�st werden.

Im Zusammenhang mit der Wahl eines geeigneten Meßverfahrens sei daraufhingewiesen, daß der Trenngrad T ðdÞ unabh�ngig von der Mengenart ist, in der ge-messen wird (z.B. Anzahl oder Masse), da jeweils die Verh�ltnisse von Mengen imgleichen Partikelgr�ßenintervall gebildet werden. Im Gegensatz hierzu ist der Ge-samtabscheidegrad Tges nat�rlich von der Mengenart abh�ngig, in der die Aufgabe-gutverteilung qð0Þ3 ðdÞ bestimmt wurde.

4.2.3

Zyklonabscheider

Der Zyklonabscheider besteht aus einem zylindrischen Oberteil, einem konischenUnterteil und hat meistens einen tangentialen Einlauf. Abbildung 4.4 zeigt die amh�ufigsten verwendeten Bauformen. Eine Alternative zum tangentialen Einlauf istder axiale Einlauf, bei dem der erforderliche Drall im Abscheideraum �ber Leit-schaufeln erzeugt wird. Aber auch bei tangentialem Einlauf sind Alternativen zudem in Abbildung 4.4 dargestellten Schlitzeinlauf denkbar. Eine �bersicht gibt Ab-bildung 4.5.

Die f�r den Anwender wichtigste Gr�ße ist der Gesamtabscheidegrad des Zyklons.F�r den Abscheidegrad ist dabei maßgeblich, welcher Feststoffmassenstrom hin-ter dem Zyklonabscheider im Gasstrom verbleibt. F�r den GesamtabscheidegradG gilt entsprechend Abbildung 4.6:

G ¼ 1� _mmsi

_mmseð4:6Þ

Abb. 4.4 Zyklonabscheider mit tangentialer (links) bzw. axialer Drallerzeugung (rechts)


Abb. 4.5 Verschiedene Einlaufgeometrien von Zyklonabscheidern

Nachdem die feststoffbeladene Gasstr�mung in den Abscheider eingetreten ist,wird sie in Rotation versetzt. Die im Gasstrom mitrotierenden Partikeln unterliegendabei einer Zentrifugalbeschleunigung. Die Zentrifugalkraft versucht, die Partikelnin Richtung Zyklonwand zu bewegen. F�r die Abscheideleistung ist offensichtlichdie h�chste im Zyklonabscheider auftretende Umfangsgeschwindigkeit entschei-dend. Abbildung 4.7 gibt den Verlauf der Umfangsgeschwindigkeit vom Außenra-dius ra des Zyklons zum Tauchrohrradius ri wieder. W�rde im Abscheider Poten-zialstr�mung herrschen, so m�sste die Umfangsgeschwindigkeit nach der Bezie-hung u � r ¼ konstant von außen nach innen ansteigen. Da die Gasstr�mungjedoch an der zylindrischen und konischen Zyklonwand und am Deckel durch Rei-bung abgebremst wird, stellt sich in etwa der Verlauf ein, der durch Kurve b gekenn-


Abb. 4.6 Feststoffmassenstr�me im Roh- und Reingas

Abb. 4.7 Verlauf der Umfangsgeschwindigkeit im Zyklonabscheidera) Theorie: u · r = const., b) tats�chlicher Verlauf.


zeichnet wird. In erster N�herung kann man davon ausgehen, dass die h�chste Um-fangsgeschwindigkeit auf einem Radius auftritt, der dem Tauchrohrradius ri ent-spricht.

4.2.3.1 UmfangsgeschwindigkeitF�r die Berechnung der Umfangsgeschwindigkeit gibt es verschiedene Vorschl�ge,die im Wesentlichen auf einer Drehimpulsbilanz aufbauen. Hier hat sich der An-satz von Meißner [4.5] bew�hrt, der von Muschelknautz, Greif und Trefz

[4.6] weiterentwickelt wurde. Geht man davon aus, dass an der gesamten innerenWandfl�che des Zyklons Reibungsverluste auftreten, also am Zylinder, am Konus,am Deckel und auf der Tauchrohraußenseite, so erh�lt man f�r die Umfangsge-schwindigkeit auf dem Tauchrohrradius die Beziehung [4.6]:

ui ¼uaðra=riÞ

1þ �

2

AR

_VVua

rari

� �1=2ð4:7Þ

In dieser Gleichung ist der Wandreibungskoeffizient � zun�chst unbekannt. Mu-

schelknautz und Krambrock [4.7] haben sehr sorgf�ltige Messungen des Rei-bungskoeffizienten durchgef�hrt, die einen weiten Bereich der Reynolds-Zahlenund der Wandrauigkeiten erfassen. Morweiser [4.8] gelang es, �ber eine Be-trachtung der Grenzschichtstr�mung den Wandreibungskoeffizienten analytischzu berechnen.

F�r die Umfangsgeschwindigkeit am Außenradius gilt:

ua ¼ue�

rera

ð4:8Þ

Beim Schlitzeinlauf h�ngt die Einschn�rung der Str�mung und damit der Ein-schn�rungskoeffizient � wesentlich von der Schlitzbreite b ab. Der Eintrittsradiusder Str�mung berechnet sich f�r diesen Fall zu:

re ¼ ra � b=2 ð4:9Þ

Renschler [4.9] hat in einer umfangreichen Untersuchung festgestellt, dass derEinschn�rungskoeffizient � auch von der Feststoffbeladung �� des eintretendenGasstromes abh�ngt und insbesondere bei h�heren Beladungen ber�cksichtigtwerden muss. Mit dem Geometrieverh�ltnis � ¼ b=ra kann der Einschn�rungsko-effizient bestimmt werden:

� ¼

1�

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi

1þ 4�

2

� �2

� �

2

" #vuutffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi

1� 1� �2

1þ ��ð2� � �2Þ

s

�ð4:10Þ

Damit sind alle Gr�ßen bekannt, und die Umfangsgeschwindigkeit auf dem Tauch-rohrradius ui kann berechnet werden.


4.2.3.2 Grenzpartikelgr�ßeAn der Stelle der gr�ßten Umfangsgeschwindigkeit unterliegen die sich im Zyklon-abscheider bewegenden Partikeln der h�chsten Zentrifugalbeschleunigung und da-mit der gr�ßten Zentrifugalkraft. F�r die Zentrifugalkraft an dieser Stelle gilt:

FZ ¼ �

6d3ð�s � �FÞ

u2iri

ð4:11Þ

Da die hier betrachteten feinen Partikeln der Gasstr�mung praktisch verz�gerungs-frei folgen, entspricht die Umfangsgeschwindigkeit des Gases ui auch der Umfangs-geschwindigkeit der Partikeln �i.

Die Zentrifugalkraft versucht, die Partikeln nach außen in Richtung Zyklonwandzu bewegen. Da das Gas jedoch durch das Tauchrohr abstr�men muss, bewirkt dieGasstr�mung auf die Partikeln einen Str�mungswiderstand. Zur Berechnung derrelativen Anstr�mgeschwindigkeit kann man in einem ersten Schritt eine Vereinfa-chung machen. Abbildung 4.8 zeigt einen Tangentialzyklon mit seinen Hauptab-messungen. Bei der Bestimmung der Partikelanstr�mgeschwindigkeit nimmt manan, dass das gesamte Gas gleichm�ßig durch eine Zylinderfl�che vom Umfang 2�riund der H�he h abstr�mt. F�r die Anstr�mgeschwindigkeit gilt dann:

uri ¼_mm

�F

1

2�rihð4:12Þ

F�r den Str�mungswiderstand der Partikeln erh�lt man:

FW ¼ cw�

4d2�F2uri ð4:13Þ

Die Partikelgr�ße, die aus dem Kr�ftegleichgewicht Fz ¼ Fw berechnet wird, nenntman Grenzpartikelgr�ße dT. F�r diese gilt:

dT ¼ 3

4cw

�F�s � �F

� �uriui

� �2

ri ð4:14Þ

Grobe Partikeln werden in Zyklonabscheidern leicht abgeschieden, so dass f�r diehier besonders interessierenden kleinen Partikeln der Str�mungswiderstand mitdem Stokesschen Widerstandsgesetz beschrieben werden kann. F�r den Wider-standskoeffizienten gilt:

cw ¼ 24

Rep¼ 24

urid�Fð4:15Þ

Setzt man diesen Wert in Gleichung (4.14) ein, so erh�lt man:

dT ¼ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi

18

ð�s � �FÞuriu21ri

s¼

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi9

ð�s � �FÞ�F_mm

�hu21

s

¼ 3uiutr

� ��1

�s � �F

� �1=2 h

ri

� ��1=2 riutr

� ��1=2ð4:16Þ

mit utr als der mittleren Tauchrohrgeschwindigkeit.


Abb. 4.8 Hauptabmessungen von Zyklonabscheidern

4.2.3.3 FraktionsabscheidegradDie bisherigen Ausf�hrungen geben die M�glichkeit, ohne großen Aufwand dieGrenzpartikelgr�ße eines Zyklons bekannter Geometrie und Betriebsbedingungenzu berechnen. F�r eine genaue Bestimmung des Gesamtabscheidegrades ist jedochdie Kenntnis des Fraktionsabscheidegrades notwendig. Hier soll nur das grunds�tz-liche Vorgehen bei der Berechnung des Fraktionsabscheidegrades erl�utert werden.Mothes und L�ffler [4.10] haben dazu den Zyklonabscheider in verschiedeneAbscheidezonen unterteilt, in denen eine vollst�ndige Vermischung der Partikeln


Abb. 4.9 Von T. Lorenz [4.11] gemessene und berechnete Fraktionabscheidegrade in Abh�ngigkeit vonder Temperatur (V̇ = 60 m2 h–1 , Geometrie I)

angenommen wird. Sie betrachten die �nderung der Partikelstr�me �ber die Gren-zen der einzelnen Abscheidezonen hinweg und stellen f�r jeden Zyklonquerschnitteine Partikelstrombilanz auf. Je nach den Str�mungsbedingungen gelangen Parti-keln an die Wand und werden als abgeschieden angesehen oder bewegen sich in an-dere Abscheidebereiche. Den Fraktionsabscheidegrad erh�lt man dadurch, dassman die Anzahl der Partikeln einer bestimmten Gr�ße im Eintritt mit der Anzahlder Partikeln der selben Gr�ße, die den Zyklonabscheider durch das Tauchrohr ver-lassen, vergleicht. F�r jede berechnete Partikelgr�ße erh�lt man so einen Punkt derFraktionsabscheidegradkurve. Ausgehend von der Arbeit von Mothes und L�ff-

ler haben Lorenz [4.11] und Morweiser [4.8] das Berechnungsverfahren deut-lich verbessert. Die neuen Ans�tze geben insbesondere die M�glichkeit, die Frak-tionsabscheidegradkurve auch f�r hohe Temperaturen und Dr�cke mit guter Ge-nauigkeit vorauszuberechnen. Alle erforderlichen Gleichungen f�r dieBerechnung der Fraktionsabscheidegradkurve sind in [4.8] und [4.11] niedergelegt.Abbildung 4.9 zeigt beispielhaft einen Vergleich gemessener und berechneterFraktionsabscheidegrade. Die �bereinstimmung ist außerordentlich gut.

4.2.3.4 GesamtabscheidegradBei bekannter Fraktionsabscheidegradkurve kann der Gesamtabscheidegrad des Zy-klonabscheiders �ber den Eintrittsfeststoffmassenstrom und die Eintrittspartikel-gr�ßenverteilung berechnet werden. Dies ist allerdings nur bei kleinen Feststoffbe-ladungen m�glich, bei denen die Abscheidung nur auf Grund von Str�mungskr�f-ten stattfindet. Bei h�heren Feststoffbeladungen findet unmittelbar im Eintritt desAbscheiders auf Grund der dort auftretenden Fliehkr�fte eine Feststoffentmischungin Form von Str�hnen statt. Dies bedeutet, dass ein Teil des Feststoffes unmittelbar


hinter dem Eintritt unfraktioniert an die Zyklonwand geschleudert und damit abge-schieden wird. Ausgehend von der schwerkraftbedingten Str�hnenbildung beimwaagerechten pneumatischen Transport hat Muschelknautz einen Vorschlagzur Absch�tzung der sogenannten Grenzbeladung �G formuliert, bei deren �ber-schreiten die Vorabscheidung und damit die unfraktionierte Abscheidung desFeststoffes einsetzt.

�G ¼ 0; 025d�pdp50

� �ð10�eÞ0;15 f€uur �e < 0; 1 ð4:17Þ

�G ¼ 0; 025d�pdp50

� �ð10�eÞ0;4 f€uur �e > 0; 1 ð4:18Þ

Der Gesamtabscheidegrad wird nun so berechnet, dass man zun�chst die Grenzbe-ladung bestimmt. Ist diese kleiner als die Eintrittsbeladung, so wird die aerodynami-sche Abscheidung f�r den Anteil � ¼ �e � �G berechnet.

4.2.3.5 DruckverlustF�r eine erste Berechnung des Druckverlustes gen�gt es h�ufig, den Zyklonabschei-der in zwei Bereiche aufzuteilen:l Einlaufverluste und Str�mungsverluste im Abscheideraum, insbesondere durch

Wandreibungl Str�mungsverluste beim Ausstr�men des Gases durch das Tauchrohr.

F�r den Gesamtdruckverlust l�ßt sich dann schreiben:

�p ¼ �pe þ�pi ð4:19Þ

Der gr�ßte Teil des Druckverlustes entsteht im Tauchrohr, in dem das Gas auf hoheAxialgeschwindigkeiten beschleunigt werden muss. Dieser Anteil liegt bei �blichenZyklonabscheidern zwischen 70 und 90% des Gesamtdruckverlustes. Bezieht manden Druckverlust auf die Tauchrohrstr�mung so erh�lt man:

�p ¼ �i�

2u2tr ð4:20Þ

Der Druckverlust selbst h�ngt von der Geometrie des Zyklonabscheiders, dem Gas-durchsatz, den Betriebsbedingungen und insbesondere den Reibungsverh�ltnissenab. Teilt man den Druckverlustkoeffizienten in zwei Anteile auf, so gilt:

�i ¼ �ie þ �ii ð4:21Þ

Der Druckverlustkoeffizient f�r die Reibungsverluste l�ßt sich mit guter Genauig-keit wie folgt berechnen:

�ie ¼ �AR

_VV

ðuauiÞ3=2

u2trð4:22Þ


F�r den Druckverlustkoeffizienten des Tauchrohrbereiches gilt:

�ii ¼ 2þ 3uiutr

� �4=3

þ uiutr

� �2

ð4:23Þ

Der Wandreibungskoeffizient �, der insbesondere bei Zyklonabscheidern, die beihohen Temperaturen und damit bei steigender Gasviskosit�t betrieben werden,kann sehr stark ansteigen, wodurch insbesondere die Grenzschichtstr�mung ver�n-dert wird. Der Wandreibungskoeffizient wird am zweckm�ßigsten nach [4.8] be-rechnet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der so berechnete Wandreibungsko-effizient die Verh�ltnisse nur bei geringen Feststoffbeladungen richtig beschreibt.Der Feststoffeinfluss auf den Wandreibungskoeffizienten l�sst sich jedoch mit fol-gender empirischer Beziehung absch�tzen:

�s ¼ �ð1þ 2ffiffiffiffiffi�e

p Þ ð4:24Þ

4.2.4

Nassabscheider

Eine M�glichkeit insbesondere sehr feine Feststoffpartikeln im Mikrometer-Bereichaus Gasen abzuscheiden besteht darin, diese an eine Fl�ssigkeit zu binden. Da diezur Reinigung eingesetzte Fl�ssigkeit, h�ufig als Waschfl�ssigkeit bezeichnet, vomFeststoff wieder befreit werden muss, damit sie im Kreislauf gefahren werden kann,ist hierzu immer noch ein weiterer Prozessschritt erforderlich. Sollen aus den Ab-gasen auch gasf�rmige Verunreinigungen abgetrennt werden, so ist dies bei derFl�ssigkeitsauswahl zu beachten. Es handelt sich dann um einen kombiniertenAbscheide- und Absorptionsprozess. Im Folgenden wird nur die Feststoffabschei-dung behandelt, bei der praktisch immer Wasser als Waschfl�ssigkeit eingesetztwird.

Da hier keine umfassende Darstellung gegeben werden kann, sei auf einige Mo-nographien hingewiesen, die detaillierte Ausf�hrungen zu Nassabscheidern enthal-ten. In der VDI-Richtlinie 3679 [4.12] werden Nassabscheider f�r partikelf�rmigeStoffe behandelt. Hier findet man Anwendungsbeispiele, aber auch Ausf�hrungenzu Betrieb und Instandhaltung sowie zu Gew�hrleistungsfragen. Umfangreiche In-formationen sind in [4.13]–[4.14] zu finden.

4.2.4.1 Bauarten von NassabscheidernDa sich im technischen Sprachgebrauch auch f�r die reine Partikelabscheidung derBegriff W�scher f�r die unterschiedlichsten Abscheidetypen eingeb�rgert hat, soller auch hier verwendet werden. Die wichtigsten Nassscheidertypen sind:l Waschturml Strahlw�scherl Wirbelw�scherl Rotationszerst�uberl Venturi-W�scher


Abb. 4.10 Nassw�schertypen [7-3]

Daneben gibt es noch Nasszyklone und Nassventilatoren. Beim Nasszyklon wird dieWaschfl�ssigkeit meistens im Einlauf, �ber den Deckel bzw. ein eingestecktesZentralrohr einged�st, beim Nassventilator wird sie im Saugstutzen aufgegeben.Eine besondere Bauart stellt der Desintegrator dar, eine hochwirksame Maschineder Verfahrenstechnik.

Abbildung 4.10 zeigt schematisch die verschiedenen Bauarten von Nassabschei-dern [4.14], Tabelle 4.2 �bliche Betriebsdaten.

Die Nassabscheider arbeiten mit sehr unterschiedlichen Abscheideprinzipien, dienicht nur die Abscheideleistung, sondern auch den Wasserverbrauch, den Druckver-lust und damit den Energieaufwand bestimmen.Wascht�rme werden zur Verbesserung des Abscheideverhaltens h�ufig mit F�ll-

k�rpern oder Kolonnenb�den ausger�stet. Bei F�llk�rpert�rmen werden die abzu-scheidenden Partikeln von dem an der F�llk�rperoberfl�che ablaufenden Fl�ssig-keitsfilm eingefangen, bei mit B�den ausger�steten T�rmen durchstr�men diePartikeln enthaltenden Gasblasen eine Fl�ssigkeitsschicht, wobei f�r eine guteAbscheidung auf eine m�glichst wirksame Gasdispergierung in kleine Blasen ge-achtet werden muss. Weiter ist zu bedenken, dass sich in F�llk�rpert�rmen Fest-stoff ablagern und dadurch zu einer Verstopfung des Apparates f�hren kann.

Bei den Strahlw�schern wird die Waschfl�ssigkeit unter hohem Druck verd�stund mit dem zu reinigenden Gas in Kontakt gebracht. Strahlw�scher sind da-durch gekennzeichnet, dass die Energie zur Tropfenerzeugung nicht dem Gas-strom entnommen wird. Sie eignen sich insbesondere f�r F�lle, in denen auf derGasseite auf einen m�glichst geringen Druckverlust geachtet werden muss.

Tab. 4.2 Betriebsdaten verschiedener Nassabscheider [7-3]

Waschturm Strahl-w�scher

Wirbel-w�scher

Rotations-zerst�uber

Venturi-w�scher

Grenzpartikelgr�ße [�m] 0,7–1,5 0,8–0,9 0,6–0,9 0,1–0,5 0,05–0,2Relativgeschwindigkeit [m/s] 1 10–25 8–20 25–70 40–150Druckverlust [mbar] 2–25 – 15–28 4–10 30–200Wasser/Luft [l/m3] (*pro Stufe) 0,05–5 5–20* unbest. 1–3* 0,5–5Energieverbrauch [kWh/1000 m3] 0,2–1,5 1,2–3 1–2 2–6 1,5–6


Wirbelw�scher gibt es in einer Vielfalt von Bauformen. Das Abscheideprinzip istaber bei allen gleich. Das zu reinigende Gas wird zun�chst durch die Fl�ssigkeitgef�hrt, wobei ein Teil der Partikeln abgeschieden wird. Danach str�mt das Gasdurch einen besonders geformten Str�mungskanal und reißt dabei Fl�ssigkeitmit, die in Tropfen zerst�ubt wird. In diesem Zerst�ubungsbereich findet dieHauptabscheidung statt. Die Wirkungsweise kann anschaulich Abbildung 4.11entnommen werden, die einen Wirbelw�scher vom Typ Roto-Clone zeigt.

Beim Rotationszerst�uber wird die Fl�ssigkeit durch rotierende Einbauten me-chanisch zerst�ubt. An den Tropfen der in der Regel senkrecht zur Gasstr�mungeingespr�hten Fl�ssigkeit werden die Partikeln abgeschieden. Bei dem Abschei-der in Abbildung 4.12 wird das zu reinigende Gas tangential zugef�hrt unddurchstr�mt mehrere Reinigungszonen. Die Tropfen, die den Feststoff mitneh-men, werden an die Beh�lterwand geschleudert und fließen dort als feststoffbela-dener Fl�ssigkeitsfilm nach unten ab. Das Gas muss nur den Str�mungswider-stand �berwinden, weshalb der Druckverlust verh�ltnism�ßig gering ist.

Zu den wirksamsten Abscheidern z�hlt der Venturi-W�scher, von dem es eineVielzahl von Bauformen gibt (siehe Abb. 4.13). Das zu reinigende Gas wird in ei-ner D�se auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und im engsten Querschnittdas Waschwasser einged�st. Hierf�r gibt es die unterschiedlichsten konstruktivenL�sungen. Beim Pease-Antony-Venturi werden die �ber den Umfang des engstenQuerschnitts eintretenden Wasserstrahlen vom Gasstrom zerrissen, wodurch sichTropfen bilden. Mayinger [4.16] hat mit Hilfe photographischer Aufnahmen

Abb. 4.11 Wirbelw�scher Roto-Clone [7-2]


Abb. 4.12 Rotationszerst�uber [7-2]

nachgewiesen, dass die eintretenden Wasserstrahlen nicht gleich zu Tropfen zerteiltwerden, sondern dass sich zun�chst Lamellen und sehr d�nne Wasserh�ute bilden,die fast den gesamten Str�mungsquerschnitt ausf�llen. Erst danach zerfallen dieLamellen und H�utchen zu Tr�pfchen. Im Bereich der h�chsten Relativgeschwin-digkeit zwischen Gas und Fl�ssigkeit findet deshalb der Hauptteil der Abscheidungan diesen Lamellen und Wasserh�utchen statt.

Abb. 4.13 Verschiedene Venturi-W�scher


Abb. 4.14 Nasszyklon

Um das Bild zu vervollst�ndigen ist in Abbildung 4.14 das Prinzip eines Nasszy-klons dargestellt, in den zur Verbesserung der Abscheidung eine Waschfl�ssigkeit,meistens Wasser, eingespr�ht wird. Dieses Prinzip kann auch dann vorteilhafteingesetzt werden, wenn die abzuscheidenden Feststoffe zu Wandhaftung neigen.Nachteilig ist, dass die Waschfl�ssigkeit wieder aufgearbeitet werden muss.

Abbildung 4.15 zeigt das Konstruktionsprinzip eines Desintegrators. Dieser arbei-tet nach dem Prinzip einer Stiftm�hle und zerst�ubt die Waschfl�ssigkeit zwi-

Abb. 4.15 Theissen-Desintegrator


schen den Stiften des Rotors und des Stators. Der Desintegrator ist ein hochwirksa-mer Abscheider, als »Abscheidemaschine« aber deutlich aufw�ndiger als die Ab-scheideapparate.

4.2.4.2 AbscheideleistungIn einer sehr umfangreichen Studie hat Holzer [4.17] die verschiedenen Abschei-dertypen auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Zur Beurteilung der Abscheideleis-tung ist die Kenntnis der Fraktionsabscheidegradkurve erforderlich. Bei der Be-stimmung des Gesamtabscheidegrades ist bei Nassabscheidern im Gegensatz zuanderen Abscheidern zu beachten, dass die Waschwassermenge, aber auch dasBenetzungsverhalten zwischen abzuscheidenden Partikeln und Waschfl�ssigkeitden Prozess beeinflussen. Beispielhaft zeigt Abbildung 4.16 von Holzer gemes-sene Fraktionsabscheidegrade der verschiedenen W�schertypen. Am wenigstenwirksam ist der Waschturm, die besten Ergebnisse erzielt man mit Venturi-W�-schern.

Bei der Auswahl eines W�schers ist die Abscheideleistung sicher das wichtigsteKriterium. Allerdings ist zu beachten, dass der gasseitige Druckverlust bei den ver-schiedenen Typen sehr unterschiedlich ist. F�r die �berwindung des Druckverlus-tes ist eine entsprechende Gebl�seleistung aufzubringen. Dar�ber hinaus ist Ener-gie f�r die Zerst�ubung der Fl�ssigkeit durch Druck bzw. mechanische Energie indie Betrachtung mit einzubeziehen. Abbildung 4.17 zeigt f�r eine Vielzahl industri-ell eingesetzter Nassabscheider den spezifischen Energieverbrauch pro 1000 m3 zureinigendem Gas in Abh�ngigkeit von der mit diesen Abscheidern erzielten Grenz-partikelgr�ße.

Abb. 4.16 Fraktionsabscheidegrad verschiedener W�scher [4.17]


Abb. 4.17 Energieverbrauch von Nassabscheidern in Abh�ngigkeit von der Grenzpartikelgr�ße [4.17]

4.2.5

Filter

Bei Filtern erfolgt die Abscheidung w�hrend der Str�mung des partikelhaltigen Ga-ses durch ein por�ses Medium dadurch, dass die Partikeln unter der Wirkung ver-schiedener Mechanismen (Diffusion, Tr�gheitskr�fte, Schwerkraft, elektrostatischeKr�fte) zu den Kollektoroberfl�chen transportiert und dort durch Haftkr�fte festge-halten werden. Als Filtermedien dienen im Bereich der Gasreinigung vor allem Fa-serschichten und – allerdings in erheblich geringerem Umfang – auch Sch�tt- undSinterschichten aus Feststoffk�rnern.

Nach dem Anwendungsbereich und dem daraus resultierenden Aufbau und derBetriebsweise lassen sich Faserfilter in zwei große Gruppen unterteilen: Tiefenfilterund Oberfl�chenfilter [4.18].Tiefenfilter werden im Bereich geringer Staubgehalte eingesetzt. Ein typischer

Anwendungsbereich ist die Klima- und Bel�ftungstechnik mit einem weitenSpektrum von Anforderungen vom einfachen Vorfilter bis zum Hochleistungs-schwebstofffilter mit Abscheidegraden 99; 999% f�r Partikeln um 0,3–0,5 �m


Tab. 4.3 Geometrische Daten von Tiefenfiltern

Grobfilter Schwebstofffilter

Faserdurchmesser dF 50–100 �m 1–5 �mMattendicke 1–3 cm 1–3 mmFaservolumenanteil < 1–3% <5–10%mittlerer Faserabstand 9dF 3dF

f�r die Rein-Raum-Technik. Diese Filter sind in der Regel relativ lockere Fasermat-ten mit Porenvolumenanteilen > 90%, oft sogar > 99% (Tabelle 4.3). Die Partikelab-scheidung erfolgt im Innern der durchstr�mten Faserschicht. Nach der S�ttigungmit Staub werden diese Filter meist weggeworfen, bei einigen Typen ist auch eineReinigung durch Waschen oder durch Ausblasen m�glich. Typische Anstr�mge-schwindigkeiten liegen bei 5–200 cm s–1.Tiefenfilter werden in vielf�ltigen Formen eingesetzt. Abbildung 4.18 zeigt sche-

matisch einige Grundformen. F�r die Auslegung und Entwicklung von Tiefenfilternbieten die theoretischen Ans�tze wertvolle Hinweise auf Einflussgr�ßen und Ten-denzen. Da diese Berechnungen in der Regel von vereinfachenden Modellannah-men �ber die geometrische Struktur und den Str�mungsverlauf im Innern der Fa-serschicht ausgehen, m�ssen die Ergebnisse durch Experimente abgesichert wer-den. Aus einer Mengenbilanz erh�lt man die Filtergleichung:

T ðdÞ ¼ 1� exp½�f � ’� ð4:25Þ

Hierin beschreibt f das Verh�ltnis von Faserprojektionsfl�che zu Filteranstr�mfl�-che (z.B. Vorfilter f ¼ 3� 10, Schwebstofffilter f ¼ 100� 300). ’ ist der Einzelfa-serabscheidegrad, der außer von der Partikelgr�ße d von zahlreichen anderen Ein-flussgr�ßen abh�ngt. ’ muss sowohl die Transport- als auch die Haftmechanismenber�cksichtigen. Es ist Gegenstand der vor ungef�hr 60 Jahren begonnenen undheute noch andauernden Forschung, diese komplexen Zusammenh�nge zu be-schreiben [4.18]–[4.23].

Das Einsatzgebiet von Oberfl�chenfiltern liegt vorwiegend im Bereich hoherStaubgehalte, wie sie bei verfahrenstechnischen Prozessen und bei der Abgasrei-nigung h�ufig vorkommen. Wegen der hervorragenden Abscheidung von Fein-st�uben haben diese Filter eine dominierende Rolle in der Luftreinhaltung �ber-nommen, das Spektrum ihrer Einsatzm�glichkeiten wird fortlaufend ausgedehnt[4.24]. Die Faserschichten werden vorwiegend als nichtgewebte Vliese oder Filzeverwendet, w�hrend fr�her meist Gewebe eingesetzt wurden. Der Porenvolumen-

Abb. 4.18 Bauformen von Tiefenfiltern


anteil dieser Medien liegt bei 70–90%. Die Abscheidung erfolgt nur in einer kurzenAnfangsphase innerhalb der Faserschicht, verlagert sich dann aber rasch an die Fil-teroberfl�che. Die dort gebildete Staubschicht stellt das eigentliche, hochwirksameFilter dar. Die anwachsende Staubschicht bewirkt gleichzeitig auch einen Anstiegdes Druckverlustes. Deshalb werden diese Filter periodisch abgereinigt. TypischeAnstr�mgeschwindigkeiten liegen bei 0,5–5 cm/s.

Die Filtermedien werden meist in Taschen-, Patronen- oder in Schlauchform ver-wendet, wobei das Schlauchfilter am h�ufigsten anzutreffen ist. Die verschiedenenAusf�hrungen unterscheiden sich vor allem in der Str�mungsf�hrung und in derArt der Abreinigung. Abbildung 4.19 zeigt zwei Abreinigungssysteme. Hiervon be-sitzt die Druckstoßabreinigung die gr�ßere Bedeutung.

Die Auslegung von Abreinigungsfiltern geschieht �berwiegend nach Erfahrungs-werten [4.25], [4.26]. Eine wichtige Rolle spielt hierbei die Abstimmung von Filter-material, Filteranstr�mgeschwindigkeit und Abreinigungsintensit�t mit den vorlie-genden Staub- und Gasbedingungen. Wie Abbildung 4.20 schematisch zeigt, steigtder Druckverlust mit der Zeit, d.h. mit der abgeschiedenen Staubmenge an, wobeigleichzeitig der Reingasstaubgehalt abnimmt. Jede Abreinigung verursacht einer-seits einen Abfall des Druckverlustes und andererseits einen kurzzeitigen Anstiegder Staubkonzentration des gereinigten Gases [4.27], [4.28], [4.29]. Die Aufgabe be-steht somit darin, die Betriebsbedingungen so zu w�hlen, dass sich – nach einer ge-wissen Einarbeitungszeit – ein stabiler Zustand einstellt. Die systematische Aufkl�-rung dieser Zusammenh�nge ist noch nicht abgeschlossen.

Abb. 4.19 Schlauchfiltera 4-Kammer-Schlauchfilter mit R�ttelabreinigung, b Schlauchfilter mit Druckstoßabreinigung1 Filterschl�uche, 1.1 Filterschlauch w�hrend der Abreinigung, 2 St�tzringe bzw. Drahtst�tzk�rbe,3 H�ngerahmen, 4 Schlauchabdichtung, 5 Staubsammelraum, 6 Schnecke, 7 Vibrator, 8 Magnetventile,9 Taktsteuerger�t


Abb. 4.20 Druckverlust und Reingaskonzentration in Abh�ngigkeit von der Filtrationszeit

4.2.6

Elektrische Abscheider

In elektrischen Abscheidern wird die Kraftwirkung auf geladene Partikeln f�r dieAbtrennung ausgenutzt. Dieses Prinzip ist vor allem bei feinen Partikeln wirksam.Elektrische Abscheider werden vorzugsweise f�r die Reinigung großer Gasvolu-menstr�me (bis zu einigen 106 m3/h) eingesetzt, z.B. f�r Abgase aus Kraftwerken,Eisen- und Metallh�tten, Gießereien, Zementfabriken, M�llverbrennungsanlagenusw. [4.30]. Die erreichbaren Gesamtabscheidegrade liegen f�r Flugasche bei ent-sprechender Auslegung �ber 99%, die Druckverluste betragen 1–2 mbar. Angaben�ber Trennkurven f�r diese Abscheideart wurden bisher kaum ver�ffentlicht.

Der Abscheidevorgang geschieht in drei aufeinanderfolgenden Schritten: Aufla-dung der Partikeln, Abscheidung der geladenen Partikeln an den Kollektorfl�chen(Niederschlagselektrode) und Entfernung des Staubniederschlages von den Kollek-torfl�chen [4.31].

Diese Prozessschritte werden in Rohrabscheidern oder in Plattenabscheidern(Abb. 4.21) realisiert. Die f�r die Aufladung ben�tigten Ladungstr�ger werden ansog. Spr�helektroden erzeugt. Nach der Aufladung wandern die Partikeln im elek-trischen Feld quer zur Gasstr�mungsrichtung an die Niederschlagselektroden. Dieangelegte Hochspannung kann bis zu 70 kV betragen. Die abgeschiedene Staub-schicht wird von den Niederschlagselektroden entweder mechanisch (durch Klop-fen) oder durch Besp�len mit Wasser entfernt.

Eine wichtige Voraussetzung f�r die Abscheidbarkeit im elektrischen Feld ist dieelektrische Leitf�higkeit der Partikeln. Der g�nstige Bereich des spezifischen elektri-schen Staubwiderstandes liegt bei 104 � 1011� cm. Der Staubwiderstand h�ngt vonden Stoff- und Gaseigenschaften ab und kann durch entsprechende Konditionie-rung in gewissen Grenzen beeinflusst werden [4.32].


Abb. 4.21 Elektroabscheidera Rohr-Elektroabscheiderb 2-Zonen-Platten-Elektroabscheider1 Spr�hdr�hte2 Niederschlagselektroden3 Drahtf�hrung

Die Grundgleichung f�r die Auslegung wurde von Deutsch abgeleitet [4.2],[4.33]. Mit gewissen vereinfachenden Annahmen ergibt sich f�r den Trenngrad ei-nes Plattenabscheiders:

T ðdÞ ¼ 1� exp �A � �wðdÞ_VV

ð4:26Þ

Hierbei ist A die Fl�che der Niederschlagselektroden und _VV der Gasvolumenstrom.�w wird die effektive Wanderungsgeschwindigkeit genannt. Diese Gr�ße be-

schreibt den Partikeltransport zur Niederschlagsfl�che. �wðdÞ h�ngt außer von derPartikelgr�ße auch von der Aufladung und der Feldst�rke ab [4.34]–[4.36]. Bei expe-rimentellen Bestimmungen von �w an praktischen Abscheideranlagen ergeben sichteilweise erhebliche Unterschiede zu den theoretischen Werten. Die Abh�ngigkeitder Wanderungsgeschwindigkeit von der Geometrie und str�mungstechnischenEinfl�ssen bedarf noch weiterer Aufkl�rung.


4.3Klassieren in Gasen

Das Trennen einer festen, dispersen Phase in zwei oder mehr Gr�ßenklassen in ei-ner gasf�rmigen Umgebungsphase nennt man Windsichten.

In der Trennzone eines Windsichters greifen an den in der Gasphase dispergier-ten Feststoffpartikeln in unterschiedlicher Ordnung von der Partikelgr�ße abh�n-gende Kr�fte an. Die Feststoffpartikeln bewegen sich auf unterschiedlichen sinkge-schwindigkeitsabh�ngigen Bahnkurven, so dass Gr�ßenklassen voneinander ge-trennt werden k�nnen.

Zu einer angenommenen Modellstr�mung, die der tats�chlichen Str�mung inder Trennzone des Windsichters m�glichst nahekommen sollte, und entsprechen-den Randbedingungen l�sst sich eine Elementartheorie des Trennvorgangs entwik-keln, die nach L�sung der Differentialgleichungen Partikel-Bahnkurven ergibt. In-folge von Vernachl�ssigungen und wegen Sekund�rstr�mungen geben die berech-neten Partikelbahnen die tats�chliche Partikelbewegung in der Trennzone meistnur angen�hert wieder, sie gestatten jedoch eine �berschl�gige Dimensionierungder Apparate. In den meisten F�llen lassen sich außerdem aus den berechneten Par-tikelbahnen prinzipielle, charakteristische Eigenschaften und Abh�ngigkeiten desbetrachteten Trennapparates ableiten.

Umfassende Darstellungen der Klassierung von Feststoffen in Windsichtern wer-den in [4.37]–[4.39] gegeben.

4.3.1

Verfahrensschritte des Windsichtens

Um in einem Windsichter eine optimale Trennung ausf�hren zu k�nnen, sollte dieTrennzone konstruktiv so ausgebildet sein, dass die angestrebte systematische Parti-kelbewegung m�glichst st�rungsfrei verwirklicht wird und zuf�llige, die Partikelbe-wegung ver�ndernde Einfl�sse auf ein unvermeidbares Maß verringert werden.Dies bedeutet aber, dass in der Trennzone eines Windsichters ein m�glichst �ber-sichtliches, station�res Str�mungsfeld herrschen sollte, in das die Partikeln untereindeutigen, station�ren Bedingungen zur Trennung eingebracht werden [4.40].

Die Windsichtung umfasst nicht nur den Trennvorgang, sondern auch die f�r dieoptimale Durchf�hrung des Trennprozesses erforderlichen weiteren Verfahrens-schritte, die in Abbildung 4.22 angegeben sind. Danach werden neben dem beab-sichtigten Trennprozess weitere Verfahrensschritte des Dosierens, des Dispergie-rens, der Gutaufgabe in die Trennzone, des Abscheidens und des Feststofftranspor-tes ben�tigt. Außerdem sind die f�r die Trennung ben�tigten Luftstr�me zuerzeugen, zu regeln und zu messen. In Abbildung 4.22 wird vorausgesetzt, dass diegenannten Verfahrensschritte außerhalb der Trennzone vorgenommen werden undder Hauptluftstrom im Kreislauf die Trennzone und den Feingutabscheider, meisteinen Zyklonabscheider, durchl�uft. Außerdem wird angenommen, dass die Disper-gierung durch einen zus�tzlich angesaugten, einstellbaren Partikelluftstrom erfolgtund die Partikeln mit diesem in die Trennzone eingebracht werden. Ein dem ent-

1254.3 Klassieren in Gasen

Abb. 4.22 Verfahrensschritte des Windsichtens

sprechender Luftstrom wird, meist mittels eines Filters, gereinigt in die Umgebungentlassen.

4.3.2

Gegenstrom-Windsichter

Das Prinzip der Gegenstromsichtung l�sst sich sowohl im Schwerefeld als auch imFliehkraftfeld anwenden. Die Gegenstrom-Schwerkraftsichtung erfolgt vorzugs-weise bei Trennkorngr�ßen von 10–100 �m, die Gegenstrom-Fliehkraftsichtung beiWerten von 1–20 �m.

Die Gegenstrom-Schwerkraftsichtung wird in einem mit m�glichst konstanterGeschwindigkeit u aufsteigenden Gas- bzw. Luftstrom durchgef�hrt. Die Partikelge-schwindigkeit � f�r den station�ren Bewegungszustand ergibt sich zu:

� ¼ u� �s ð4:27Þ

Partikel mit �s < u folgen der Str�mung mit (u� �s), w�hrend Partikel mit �s > u

in ihr mit (�s � u) sedimentieren. Die Trennkorngr�ße besitzt theoretisch keineAustragsgeschwindigkeit, da �s ¼ u ist.

Das Gegenstrom-Schwerkraftprinzip wird vor allem in Analysenwindsichtern an-gewandt. Anwendungsfall im technischen Bereich sind die Umluftsichter der Ze-mentindustrie. Eine zusammenfassende Darstellung hat Wessel [4.41] gegeben.

Bei Gegenstrom-Schwerkraftsichtern wird vielfach als Trennzone ein zylindri-sches, senkrechtes Rohr verwendet, das von der Sichtluft von unten nach oben lami-nar durchstr�mt wird. Eine Variante der Gegenstrom-Schwerkraftsichter ist derZick-Zack-Sichter [4.42], [4.43], der aus Rohrabschnitten besteht, die unter einemWinkel zusammenstoßen. Da die Str�mung den abrupten Richtungs�nderungendes Rohres nicht folgen kann, entsteht eine k�nstlich turbulent gemachte Rohrstr�-mung. Jeder Rohrabschnitt stellt eine Sichtstufe dar, die Hintereinanderschaltungmehrerer Rohrabschnitte f�hrt zur Verbesserung der Trennsch�rfe des Gesamtsys-tems. Das Aufgabegut wird in einer der mittleren Stufen zugef�hrt.


Die hochturbulente Str�mung im Zickzackkanal f�hrt nicht nur zu sehr grobenTrenngrenzen bis in den Zentimeterbereich, sondern auch zu einer sehr guten Di-spergierung der sich noch im Kanal befindlichen Partikeln. Der Zick-Zack-Sichterist deshalb z.B. auch f�r die Sichtung von Abfallstoffen geeignet.

4.3.2.1 SpiralwindsichterRumpf [4.44] hat erstmals das Prinzip der Spiralwindsichtung (Abb. 4.23) f�r dieTrennung systematisch genutzt und untersucht. Die Trennzone besteht aus einerflachen, zylindrischen Trennkammer der H�he H. Die Sichtluft wird vom �uße-ren Umfang her, z.B. durch einen einstellbaren Leitschaufelkranz, eingesaugt. Inder Trennzone stellt sich die Spiralstr�mung ein, die sich aus der �berlagerungeiner Senkenstr�mung und einer freien Wirbelstr�mung ergibt. Die Trenngrenzeeines Spiralwindsichters l�sst sich aus dem Gleichgewicht der an einer Partikelangreifenden Fliehkraft und der radial nach innen gerichteten Komponente derWiderstandskraft berechnen. F�r kugelf�rmige Partikeln erh�lt man im G�ltig-keitsbereich des Stokes’schen Widerstandsgesetzes:

uR ¼ %sd2t a

18¼ �at ð4:28Þ

Mit der Beschleunigung a ¼ �2’=R und der Radialgeschwindigkeit uR ¼ _VV =ð2�RHÞerh�lt man f�r die Sinkgeschwindigkeit des Trennkorns im Schwerefeld:

�gt ¼%sd

2t g

18¼ g

2��_VV

�2’¼ gRuR

�2’ð4:29Þ

Man erkennt, dass sich �gt bzw. dt durch �ndern des Luftdurchsatzes _VV (bzw. vonuR) und der Partikelumfangsgeschwindigkeit �’ �ndern lassen. Beide M�glichkei-

Abb. 4.23 Prinzip der Spiralwindsichtung

1274.3 Klassieren in Gasen

ten werden technisch genutzt. Wie beim Zyklonabscheider ist die Sinkgeschwindig-keit �gt der Trennpartikel wegen �’ � _VV umgekehrt proportional zu _VV :

�gt � d2t � 1= _VV ð4:30Þ

In Abbildung 4.23 wird angenommen, dass sich das Trennkorn auf einem Kreis vonRadius R mit der Geschwindigkeit �’ bewegt. �’ unterscheidet sich von der Um-fangsgeschwindigkeit der Str�mung u’. Die �nderung von �’ mit dem Radius rl�sst sich in einer Spiralstr�mung durch

u’ � rm ¼ konstant ð4:31Þ

beschreiben. Der Exponent m h�ngt von den Str�mungsbedingungen in derTrennzone ab. Man unterscheidet zwischen:m ¼ 1 : reibungsfreie Wirbelstr�mung0; 5 � m � 0; 85 : reibungsbehaftete Wirbelstr�mungm ¼ �1 : Starrk�rperwirbel.

Die Anwesenheit von Partikeln �ndert den Exponenten m, d.h. den Verlauf der Spi-ralstr�mung. Deren Verlauf h�ngt demnach nicht nur von der Gutbeladung �, son-dern auch von der Partikelgr�ßenverteilung des Aufgabegutes ab. Die Umfangsge-schwindigkeit �’ wird deshalb zumindest von folgenden Gr�ßen beeinflusst:

�’ ¼ fðu’=ur;QðdÞ; � ¼ _mms= _mmfÞ ð4:32Þ

Gleichung (4.29) kann deshalb zur exakten Vorausberechnung der Trenngrenzenicht benutzt werden. Sie gibt jedoch die prinzipiellen Abh�ngigkeiten wieder.

4.3.2.2 AbweiseradsichterW�hrend sich in einem Spiralwindsichter die Str�mung frei einstellen kann unddie in Gleichung (4.32) angedeutete Abh�ngigkeit besteht, kann man bei Abweise-radsichtern durch die Verwendung beschaufelter Rotoren in gewissen Grenzen sta-bilere Sichtbedingungen erzielen. Die Rotorbl�tter sind im allgemeinen an der �u-ßeren Peripherie angebracht. Im einfachsten Fall werden Rundst�be (Korbsichter)verwendet. Meist jedoch sind die Rotorbl�tter Flacheisen, die entweder radial oderin einem Winkel zum Umfang angestellt sind. Drehzahl des Rotors, Form und An-zahl der Rotorbl�tter bestimmen die Lage und den Verlauf der Trennkurve.

Die meisten Abweiseradsichter besitzen einen Rotor, dessen Durchmesser etwader L�nge der Rotorbl�tter entspricht. Aus Festigkeitsgr�nden sind die Drehzahlendieser Rotoren und damit auch die kleinste einstellbare Trenngrenze auf einige �mbegrenzt. Sollen Trenngrenzen um 1 bis 2 �m erreicht werden, so m�ssen flacheHochgeschwindigkeitsrotoren mit Umfangsgeschwindigkeiten zwischen etwa 80bis 140 m/s verwendet werden.

In Abbildung 4.24 ist das Betriebsdiagramm eines handels�blichen Abweiserad-sichters [4.45] dargestellt. Man erkennt, dass der Massendurchsatz des Feingutes _mm

um so geringer wird, je kleiner die Trenngrenze dt eingestellt wird. Bei konstanterTrenngrenze nimmt die Trennsch�rfe mit steigendem Feingutmassendurchsatz ab.


Abb. 4.24 Betriebsdiagramm eines AbweiseradsichtersMassendurchsatz an Feingut in Abh�ngigkeit von der Trenngrenze dt und der Trennsch�rfe k [4.45]

Bei konstantem Massendurchsatz sinkt die Trennsch�rfe mit abnehmender Trenn-grenze. Diese in Abbildung 4.24 dargestellten prinzipiellen Zusammenh�nge sindqualitativ auf alle anderen Abweiseradsichter �bertragbar. Hinweise zur Modellie-rung des Sichtprozesses am Abweiserad werden in [4.46] gegeben.

4.4

Abscheiden von Feststoffen aus Fl�ssigkeiten

4.4.1

Systematik der mechanischen Fest/Fl�ssig-Trennverfahren

F�r die mehr oder weniger vollst�ndige Auftrennung einer Suspension in eine fl�s-sige und eine disperse feste Phase stehen thermische und mechanische Trennver-fahren zur Verf�gung (Abb. 4.25).

Die thermischen Trocknungsverfahren sind im Vergleich zur mechanischen Fl�s-sigkeitsabtrennung in der Regel sehr energieintensiv, da sie einen Phasen�bergangder Fl�ssigkeit in den gasf�rmigen Aggregatzustand erfordern und die entspre-chende Verdampfungsenthalpie aufgebracht werden muss. Auch wegen der oftmalsunerw�nschten Belastung des abzutrennenden Produktes mit h�heren Temperatu-ren ist es meist vorteilhaft, einen m�glichst großen Teil der Fl�ssigkeit auf mechani-schem Weg abzutrennen.

Aus physikalischen Gr�nden verbleibt bei der mechanischen Fl�ssigkeitsabtren-nung stets ein gewisser Rest an Fl�ssigkeit im Haufwerk zur�ck, der dann auf ther-mischem Wege entfernt werden muss.

1294.4 Abscheiden von Feststoffen aus Fl�ssigkeiten

Abb. 4.25 Systematik der Fest/Fl�ssig-Trennverfahren

An der Schnittstelle der thermischen Verfahren zur Fest/Fl�ssig-Trennung wur-den in j�ngerer Zeit auch Kombinationsverfahren aus mechanischer Fl�ssigkeitsab-trennung und thermischer Trocknung, wie Zentrifugen- und Nutschentrockner so-wie Dampfdruckfilter entwickelt.

Aufgrund der großen Vielfalt sehr unterschiedlicher Trennaufgaben, die bei un-terschiedlichsten Randbedingungen zu l�sen sind und Partikeldurchmesser von we-nigen Nanometern bis hin zu einigen Zentimetern betreffen, stehen eine Vielzahlunterschiedlicher Trennapparate zur Verf�gung, die sich jedoch systematisch in ge-geneinander abgrenzbare Trennverfahren ordnen lassen.

Die mechanischen Trennverfahren teilen sich im wesentlichen in drei Haupt-gruppen auf.

Die Dichtetrennverfahren nutzen den Unterschied der Dichte von Feststoff undFl�ssigkeit zur Abscheidung von partikul�ren Feststoffen durch Sedimentation inund durch Flotation gegen die Richtung des Erdschwere- oder eines Zentrifugal-feldes.

Bei den Filtrationsverfahren str�mt die fluide Phase infolge eines treibenden Po-tenzials durch ein por�ses Filtermedium hindurch, wohingegen die partikul�renFeststoffe durch dieses zur�ckgehalten werden.

Man unterscheidet dabei zwischen der Tiefenfiltration, bei der sich die abzutren-nenden Teilchen im Innern einer Filterschicht abscheiden und der Oberfl�chenfil-tration, bei der die Partkeln an der Oberfl�che des Filtermediums zur�ck gehaltenwerden.

Die Oberfl�chenfiltration gliedert sich in Kuchen- und Querstromfiltrationsver-fahren.

Die Kuchenfiltration ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Feststoff als po-r�ses Haufwerk auf dem Filtermedium ablagert, w�hrend die Fl�ssigkeit durchdie bereits gebildete Partikelschicht und das Filtermedium hindurch str�menmuss.


Die Verfahren der Querstromfiltration dagegen basieren auf der tangentialen�berstr�mung des meist als feinpor�se Membran ausgebildeten Filtermediums,damit bei der Trennung feinstpartikul�rer Suspensionen ein Filterkuchenaufbaumit einem f�r das Filtrat entsprechend hohem Durchstr�mungswiderstand bisauf eine unvermeidbare Partikeldeckschicht unterbunden wird.

Partikeln mit entsprechenden elektrischen oder magnetischen Eigenschaftenk�nnen auch im elektrischen oder magnetischen Feld abgetrennt werden.

Neben der Abscheidung des Feststoffes muss dieser oft in nachfolgenden Schrit-ten durch Waschen von anhaftenden Bestandteilen der Suspensionsfl�ssigkeit ge-reinigt und mechanisch m�glichst weitgehend entfeuchtet werden.

4.4.2

Suspensionsvorbehandlung zur Verbesserung der Trennbarkeit

Die Partikelabscheidung aus Fl�ssigkeiten kann durch verschiedene Methoden zurSuspensionsvorbehandlung erleichtert oder �berhaupt erst erm�glicht werden.

Insbesondere die Abtrennung von Teilchen mit Durchmessern von weniger alsca. 100 �m wird durch Agglomeration zu gr�ßeren Partikelverb�nden erleichtert.

F�r die Partikelhaftung kann die immer vorhandene van-der-Waals-Anziehungzwischen den Teilchen genutzt werden, wenn es gelingt, das in der Regel ebenfallsvorhandene elektrostatische Abstoßungspotential zu verringern oder abzuschirmen.Die f�r die Koagulation g�nstigen physikochemischen Bedingungen k�nnen �berden pH-Wert oder die Ionenkonzentration in der Suspension eingestellt werden.Zur Abschirmung negativer Oberfl�chenladungen werden �blicherweise dreiwer-tige Aluminium- und Eisensalze eingesetzt.Weiterhin lassen sich Partikeln durch die Zugabe spezieller l�slicher Polymere

flocken. Die Haftung wird hierbei durch partielle Adsorption ionogener Polymereund damit durch elektrostatische Anziehung oder durch direkte Vernetzung derTeilchen erreicht. Man unterscheidet hierbei je nach Ladung zwischen anionischen,kationischen und nichtionischen Polymeren. Als Polymer dient h�ufig Polyacryl-amid mit molaren Massen in der Gr�ßenordnung von ca. 107 g mol–1. Die Feststoff-massenkonzentration der L�sungen betr�gt etwa 0,03–0,1%. Die Flockungsmittel-aufbereitung, Dosage, Vermischung mit der Suspension und die Flockenbildungstellen eigenst�ndige Verfahrensschritte im Fest/Fl�ssig-Trennprozess dar.

Eine weitere Methode der Suspensionsvorbehandlung f�r Filtrationsverfahren be-steht in der Zugabe von mineralischen oder organischen Filterhilfsmitteln zur Er-zeugung einer permeablen Haufwerksstruktur (vgl. Abschnitt 4.4.6.1).

Dar�ber hinaus kann es sich f�r den Trennprozess als g�nstig erweisen, in einervorbereitenden Klassierung entweder die feinsten Partikeln durch Entschl�mmungoder die als �berkorn bezeichneten gr�bsten Partikeln durch Entgrittung aus derSuspension zu entfernen.

Bei sch�umenden Suspensionen kann es zur Sicherstellung eines st�rungsfreienBetriebes von Trennapparaten notwendig sein, die Suspensionen in einem vorberei-tenden Schritt chemisch oder mechanisch zu entsch�umen.


Abb. 4.26 Kombinationsschaltung zur Fest/Fl�ssig-Trennung

4.4.3

Kombinationsschaltungen von Trennapparaten

Wenn ein in geringer Konzentration suspendierter Feststoff in vollst�ndig trockenerForm isoliert werden soll, so kann diese Aufgabe in aller Regel nicht sinnvoll in ei-nem einzigen Trennapparat gel�st werden, sondern es muss eine Kombinations-schaltung aufeinander abgestimmter Trennverfahren und Apparate gew�hlt werden(Abb. 4.26).

Die verd�nnt vorliegende Suspension wird in vielen F�llen vorbehandelt, um z.B.die Abtrennung einzeln vorliegender Feststoffpartikeln durch Agglomeration zugr�ßeren Partikelverb�nden zu erleichtern.

In einem Aufkonzentrierungsschritt wird der Suspension dann auf m�glichsteinfache Art und Weise kosteng�nstig so viel klare Fl�ssigkeit wie m�glich entzo-gen, um den nachfolgenden Trennschritt zu entlasten.

Das aus der Eindickung abgezogene Konzentrat wird nun einem Trennapparatzugef�hrt, dessen spezielle Aufgabe in der m�glichst weitgehenden mechanischenAbtrennung der Fl�ssigkeit besteht.

Da die Fl�ssigkeit h�ufig noch nicht vollkommen partikelfrei ist, kann sie gegebe-nenfalls in die Eindickstufe zur�ckgef�hrt oder �ber eine spezielle Nachkl�reinrich-tung gef�hrt werden.

Das entfeuchtete Haufwerk, bei dem es sich je nach Trennapparat um einen Fil-terkuchen oder ein Sediment handelt, kann in einem abschließenden Schritt in ei-nem thermischen Trockner von den letzten anhaftenden Fl�ssigkeitsresten befreitwerden und liegt dann als trockenes Pulver vor.

4.4.4

Diskontinuierlich und kontinuierlich arbeitende Trennapparate

S�mtliche Fest/Fl�ssig-Trennverfahren k�nnen diskontinuierlich und kontinuier-lich mit jeweils spezifischen Vor- und Nachteilen betrieben werden.


Abb. 4.27 Diskontinuierlicher Fest/Fl�ssig-Trennprozess

Das Prinzip der diskontinuierlichen Betriebsweise l�sst sich am Beispiel einereinfachen Vakuum-Nutsche zur Kuchenfiltration erl�utern (Abb. 4.27).

Der diskontinuierliche Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnenVerfahrensschritte, wie die Bef�llung des Apparates mit Suspension, Filterkuchen-bildung, -waschung, -entfeuchtung, -austrag und Reinigung, unabh�ngig voneinan-der in ihrer zeitlichen Dauer eingestellt werden k�nnen. Dadurch l�sst sich derTrennapparat mit maximaler Flexibilit�t an die Erfordernisse des jeweiligen Produk-tes anpassen.

Eine quasi-kontinuierliche Betriebsweise diskontinuierlicher Trennapparate kanndurch Parallelschaltung und zeitlich versetzte Betriebsweise mehrerer Einheitenoder die Vorschaltung eines Suspensionspufferbeh�lters erreicht werden.

Die vollkontinuierliche Betriebsweise eines Trennapparates l�sst sich am Beispieleines Vakuum-Bandfilters anschaulich erl�utern (Abb. 4.28).

Kennzeichen des kontinuierlichen Prozesses ist die Kopplung der einzelnen Ver-fahrensschritte �ber die Transportgeschwindigkeit des Produktes und die Geome-trie der jeweiligen Verfahrenszone.

Die f�r jeden Verfahrensschritt zur Verf�gung stehende Zeit ergibt sich aus demQuotienten der L�nge der jeweiligen Verfahrenszone und der Transportgeschwin-digkeit des Produktes. Die Ver�nderung des Verh�ltnisses der Zeiten f�r die einzel-nen Verfahrensschritte ist nur �ber die Ver�nderung der Zonenl�nge m�glich. Diesl�sst sich konstruktiv nur in relativ engen Grenzen erreichen.


Abb. 4.28 Kontinuierlicher Fest/Fl�ssig-Trennprozess

Andererseits wirkt sich die kontinuierliche Betriebsweise durch den Wegfall vonverfahrenstechnisch nicht nutzbaren Zeiten positiv auf den Massendurchsatz aus.

In einem diskontinuierlichen Produktionsprozess kann ein kontinuierlich arbei-tender Trennapparat entweder durch Vorschalten eines Suspensionsvorratsbeh�ltersoder durch periodisches Stillsetzen betrieben werden.

4.4.5

Dichtetrennverfahren

4.4.5.1 FlotationFlotationsverfahren beruhen darauf, dass suspendierte Feststoffpartikeln mit einergr�ßeren Dichte als die umgebende Fl�ssigkeit durch die Anlagerung von Luftbla-sen entgegen der Schwerkraft aufsteigen und als Schaum von der Oberfl�che desFlotationsapparates abgesch�pft werden k�nnen (Abb. 4.29).

Um die Anlagerung von Luftblasen an die Partikeloberfl�chen zu erm�glichen,m�ssen diese hydrophob sein. Sind die Oberfl�chen dies nicht von Natur aus, sok�nnen sie durch Zugabe eines als »Sammler« bezeichneten Tensids hydrophobiertwerden.Tenside sind grenzfl�chenaktive Stoffe, die meist aus einer hydrophoben unpola-

ren Kohlenwasserstoffkette und einer hydrophilen polaren Gruppe bestehen. NachArt der Polarit�t unterscheidet man anionische und kationische Tenside. Anioni-sche Tenside sind Xanthanate, Carboxylate, Alkylsulfate, Mercaptane u. a., kationi-sche Tenside sind die Alkylamine.

Die nicht im Schaum auszutragenden Partikeln m�ssen hydrophile Eigenschaf-ten haben und sedimentieren in Schwerkraftrichtung zum Grund der Trennkam-mer. Sind sie nicht von Natur aus hydrophil, so k�nnen sie durch als »Dr�cker« be-zeichnete grenzfl�chenaktive Stoffe hydrophiliert werden. Als Dr�cker werden u.a.Alkalicyanid, Kalkhydrat, Zinksulfat oder Wasserglas eingesetzt.


Abb. 4.29 Prinzip der Flotation

Einer erneuten Koaleszenz der in der Fl�ssigkeit dispergierten Gasblasen kanndurch als »Sch�umer« bezeichnete Stoffe (Polypropylenglykol oder aliphatische Al-kohole) Stabilit�t verliehen werden.

Flotationsverfahren erlauben eine selektive Abtrennung unterschiedlicher Fest-stoffe und werden insbesondere in der Erz- und Mineralaufbereitung f�r die Sortie-rung feinaufgeschlossener Gemenge eingesetzt. Nach oben wird die noch zu flotie-rende Partikelgr�ße durch das Partikelgewicht auf ca. 500 �m und bei der Sortie-rung nach unten durch abnehmende Selektivit�t begrenzt.

In der Abwasseraufbereitung werden insbesondere organische Verunreinigungendurch Flotation abgetrennt.

Nach der Art der Luftzuf�hrung unterscheidet man– Druckluftzellen mit Einblasen der Luft durch por�se Stoffe oder D�sen,– R�hrwerkszellen mit Dispergierung der Luft mittels R�hrwerkzeugen und– Druckentspannungszellen mit Desorption von Blasen aus der mit gel�ster Luft�bers�ttigten Fl�ssigkeit.

4.4.5.2 SedimentationDie Aufgabenstellungen der Sedimentationsverfahren erstrecken sich von der Auf-konzentrierung oder Kl�rung extrem verd�nnt vorliegender Suspensionen bis hinzur weitestgehenden Entfeuchtung des abgetrennten Feststoffes. Auch Klassier-und Sortieraufgaben k�nnen realisiert werden. Eine Besonderheit der Sedimentati-onsverfahren besteht in der M�glichkeit, auch Suspensionen in ihre Komponentenzu trennen, die neben dem Feststoff noch zwei nicht miteinander mischbare Fl�s-sigkeiten unterschiedlicher Dichte (Wasser/l) enthalten.

Bei den Sedimentationsverfahren wird der partikul�re Feststoff im Unterschiedzur Flotation in Richtung der Erdbeschleunigung g oder einer Zentrifugalbeschleu-nigung b an einer festen und impermeablen Wand abgeschieden (Abb. 4.30).


Abb. 4.30 Prinzip der Sedimentation

Die Zentrifugalbeschleunigung ergibt sich aus dem Produkt des Rotorradius rund dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit des Rotors !:

b ¼ r!2 ð4:33Þ

Ein dimensionsloser Zentrifugalwert Z gibt das Vielfache der Erdbeschleunigungan, das in der jeweiligen Zentrifuge realisiert werden kann und dient zur Charakte-risierung von Zentrifugen:

Z ¼ b

gð4:34Þ

Die Dichte der Partikeln �s ist bei der Sedimentation stets gr�ßer als die Dichte �Lder fl�ssigen Phase. Die durch den Absetzvorgang verdr�ngte Fl�ssigkeit wird ent-gegen der Bewegungsrichtung des Feststoffes verdr�ngt.

Neben dem Dichteunterschied �� zwischen fester und fl�ssiger Phase und derBeschleunigung g oder b wird die Sinkgeschwindigkeit �S von Partikeln durch diedynamische Fl�ssigkeitsviskosit�t L, die Partikelgr�ße d und die volumenbezogeneFeststoffkonzentration in der Suspension cv beeinflusst.

F�r die Sinkgeschwindigkeit vS einzelner kugelf�rmiger Partikeln gilt bei lamina-rer Umstr�mung in einem newtonischen Fluid:

�S ¼ ��Zgx2

18Lð4:35Þ

Nimmt die Feststoffkonzentration c� zu, so behindern sich die Partikeln w�hrendder Sedimentation gegenseitig immer mehr und bewegen sich schließlich unabh�n-gig von ihren geometrischen Eigenschaften mit gleicher Geschwindigkeit �:

� ¼ �Sð1� c�Þ4:65 ð4:36Þ

Es bildet sich eine scharf ausgepr�gte Sedimentationsfront mit dar�ber stehenderKlarfl�ssigkeit aus.

Hat sich durch den Sedimentationsvorgang ein Haufwerk gebildet, so kann die-sem nur noch dann weitere Fl�ssigkeit entzogen werden, wenn sich die Haufwerks-struktur verdichten l�sst. Dies erfolgt durch das Eigengewicht der Partikelschicht,


die entweder der Erdschwere oder einem Zentrifugalfeld ausgesetzt ist. Die Porendes Sedimentes bleiben dabei aber grunds�tzlich vollkommen mit Fl�ssigkeit ge-f�llt.

Abh�ngig vom Feststoffger�stdruck ps kann der durch die Porosit�t " charakteri-sierte Hohlraumvolumenanteil im Sediment mit einer Potenzfunktion und zweiAnpassungsparametern A und B beschrieben werden:

" ¼ ApBs ð4:37Þ

Sedimentationsverfahren werden insbesondere im Erdschwerefeld zur Aufkonzen-trierung von verd�nnten Suspensionen, im Zentrifugalfeld zur Abtrennung feinsterPartikeln, zur Verdichtung der daraus entstehenden hoch kompressiblen Sedimenteund �berall dort, wo Suspensionsinhaltsstoffe por�se Filtermedien schnell und irre-versibel verstopfen w�rden, eingesetzt.

Die physikalische Anwendungsgrenze f�r die Sedimentation im Erdschwerefeldliegt bei Partikelgr�ßen von ca. 1 �m, da Thermokonvektion und Diffusion kleinerePartikeln in der Regel stabil in Schwebe halten.

Durch Agglomeration mittels Flockung oder Koagulation kann man jedoch auchderartige Feinstpartikeln einer Sedimentation im Erdschwerefeld zug�nglich ma-chen.Technisch werden zur Schwerkraftsedimentation vorwiegend kontinuierlich be-

triebene Rund- und L�ngskl�rbecken sowie Lamellenkl�rer eingesetzt.Eine andere M�glichkeit zur sedimentativen Abscheidung feinster Teilchen be-

steht in der Vergr�ßerung des treibenden Potenzials im Zentrifugalfeld.

H�ufig eingesetzte Sedimentationszentrifugen sind– Becherzentrifugen f�r den Laboreinsatz (Z bis ca. 10000),– kontinuierliche Vollmantelschneckenzentrifugen (Z bis ca. 5000),– diskontinuierliche und kontinuierliche Tellerseparatoren (Z bis ca. 15000) und– R�hrenzentrifugen (Z bis ca. 60000).

Um Zentrifugalkr�fte nutzen zu k�nnen, muß zur Beschleunigung der Suspensionnicht unabdingbar der Sedimentationsraum rotieren.

Zwingt man im Hydrozyklon die zu trennende Suspension durch tangentialenZulauf in einem zylindrisch/konischen Hohlk�rper auf spiralf�rmige Kreisbah-nen, so werden Partikeln bis zu einer bestimmten Trennkorngr�ße durch Sedi-mentation im sich einstellenden Potenzialwirbel nach außen getragen, an derfeststehenden Zylinderwand abgeschieden und im Unterlauf ausgetragen. Diekleineren Partikeln folgen den Stromlinien und werden �ber ein im Zentrum desZylinders angeordnetes Tauchrohr durch den �berlauf entfernt. Auf diese Weisel�sst sich eine Abscheidung oder eine Klassierung des Feststoffes realisieren.

Neben der reinen Abtrennung k�nnen Feststoffe in Sedimentationsapparatenauch gewaschen und sogar extrahiert werden. Hierzu wird vorzugsweise bei konti-nuierlichen Sedimentationsapparaten, und hier wiederum insbesondere bei denZentrifugen, das Prinzip der Verd�nnungsw�sche angewendet. Es werden mindes-tens zwei Trennapparate in Reihe geschaltet und der durch Sedimentation abge-


schiedene Feststoff der jeweils vorhergehenden Trennstufe wird mit Waschfl�ssig-keit wieder verd�nnt und auf die n�chstfolgende Trennstufe zur erneuten Abtren-nung aufgegeben. Zur optimalen Ausnutzung der Waschfl�ssigkeit wird diese beidrei- und mehrstufigen Reinigungsprozessen in vielen F�llen im Gegenstrom ge-f�hrt. Dies bedeutet, dass die frische Waschfl�ssigkeit vor der letzten Trennstufe zu-gef�hrt und aus der zweiten Trennstufe maximal konzentriert abgef�hrt wird.Wenn nach jeder Trennstufe frische Fl�ssigkeit zugef�hrt wird, bezeichnet manden Prozess als Gleichstromw�sche.

Bei Extraktionsprozessen wird der Suspension anstelle einer molekular in derSuspensionsfl�ssigkeit l�slichen Waschfl�ssigkeit ein in dieser nicht l�sliches Ex-traktionsmittel mit anderer Dichte zugegeben. Die zu extrahierenden Bestandteileder Suspension l�sen sich selektiv im Extraktionsmittel und k�nnen infolge desPrinzipes der Dichtetrennung aus dem Dreiphasengemisch aus Feststoff, Suspensi-onsfl�ssigkeit und Extraktionsmittel isoliert werden.

4.4.6

Filtrationsverfahren

4.4.6.1 Oberfl�chenfiltration

Kuchenfiltration.Bei der Kuchenfiltration wird der Feststoff an der Oberfl�che eines por�sen Filter-mediums zur�ckgehalten, die als Filtrat anfallende Fl�ssigkeit tritt durch das Me-dium hindurch (Abb. 4.31).

Feststoff und Fl�ssigkeit haben unter der Wirkung der treibenden Druckdifferenz�p zwischen dem Druck an der Suspensionsoberfl�che p0 und dem Druck unter-halb des Filtermediums p1 die gleiche Bewegungsrichtung.

Abb. 4.31 Prinzip der Kuchenfiltration


�ber den Poren des Filtermediums m�ssen sich zun�chst Feststoffbr�cken aus-bilden, auf denen dann der weitere Filterkuchen aufw�chst. Ein Feststoffdurch-schlag am Beginn der Filtration muss meist in Kauf genommen werden, sollte aberm�glichst minimiert werden.

Kuchenfiltrationsverfahren werden f�r m�ßig bis h�her konzentrierte Suspensio-nen im Partikelgr�ßenbereich von ca. 1 �m bis 1000 �m angewendet. Kleinere Par-tikeln lassen sich wegen der extrem hohen Duchstr�mungswiderst�nde des Hauf-werkes durch Kuchenfiltration nicht mehr sinnvoll abscheiden. Hier kommen dannvorzugsweise Verfahren der Mikrofiltration auf Querstrombasis zum Einsatz. DieKuchenpermeabilit�t in diesem Bereich kann durch Agglomeration der Partikelnverbessert werden.

Gr�ßere Partikeln filtrieren und sedimentieren spontan unter Schwerkraftein-fluss. Sie werden vorzugsweise �ber Schwing- und Bogensiebe aus Fl�ssigkeiten ab-getrennt.

Die zur Bildung einer bestimmten Kuchenh�he hK notwendige Zeit t1 kann ausder folgenden Beziehung abgesch�tzt werden:

t1 ¼h2KrKL2��p

þ hKRML��p

� ¼ cv1� "� c�

ð4:38Þ

Neben der Druckdifferenz �p und der dynamischen Viskosit�t der Fl�ssigkeit Lgehen der kuchenh�henspezifische Kuchenwiderstand rK und der Widerstand desFiltermediums RM ein. Der Konzentrationsparameter � wird aus den Daten der vo-lumenbezogenen Feststoffkonzentration der Suspension c� und der Kuchenporosi-t�t " gebildet.

Kuchen- und Tuchwiderstand m�ssen experimentell ermittelt werden. Eine ent-sprechende Messvorschrift gibt die VDI-Richtlinie 2762.

Die treibende Druckdifferenz zur Kuchenfiltration kann auf unterschiedliche Arterzeugt werden.– Gasdifferenzdruck kann sowohl durch Anlegen eines Vakuums hinter dem Filter-medium als auch durch Erzeugung eines �berdrucks �ber der Suspension er-zeugt werden. W�hrend Vakuumfilter durch den Dampfdruck der Fl�ssigkeit be-grenzt sind, kann der Gas�berdruck in technisch sinnvollen Grenzen frei einge-stellt werden. Die obere Grenze f�r gekapselte �berdruckfilter liegt bei ca. 1 MPa.Die Druckdifferenz bleibt in der Regel w�hrend der Filtration konstant.

Trommel-, Scheiben-, Band- und Tellerfilter sind Beispiele f�r kontinuierliche,das Nutschenfilter ein Beispiel f�r diskontinuierliche Gasdifferenzdruckfilter.Eine Sonderstellung nehmen die Filterreaktoren als diskontinuierliche Kuchen-filter ein, in denen neben dem Fest/Fl�ssig-Trennschritt auch andere Prozess-schritte, wie Reaktion, Kristallisation und thermische Trocknung ausgef�hrt wer-den k�nnen.

– Hydraulischer Druck einer Suspensionspumpe wird f�r feinstk�rnige undschwer filtrierbare Suspensionen in diskontinuierlichen Rahmen- oder Kammer-Filterpressen zur F�llung der Filterkammern, Kuchenbildung und Kompressiondes Kuchens genutzt. Auch in diskontinuierlichen Kerzen-, Patronen-, Blatt- undBeutelfiltern wird der Filterkuchen auf diese Weise gebildet. In diesen Apparaten


k�nnen die Filterkuchen gegebenenfalls mit Gasdruck nachentfeuchtet werden.Die Druckdifferenz steigt w�hrend der Filtration an, wenn der zugef�hrte Sus-pensionsvolumenstrom konstant bleiben soll.

– Mechanischer Druck wird bei den Membran- und Kolbenpressfiltern, sowie denDoppelbandpressen erzeugt. Hier wird die Suspension mit geringem Druck zuge-f�hrt und der Feststoff dann mittels einer Pressmembran, eines verschiebbarenKolbens oder zwischen durch Walzen zusammengepressten Siebb�ndern abfil-triert. Auch hier ist die Druckdifferenz �ber der Filtrationszeit oft nicht konstant.

– Hydrostatischer Druck im Erdschwerefeld wird f�r grobk�rnige Materialien mitmehr als 1 mm Partikeldurchmesser bei der Siebfiltration und Haldenentw�sse-rung genutzt.

– Zentrifugaldruck wird je nach Filtrationseigenschaften der Suspension diskonti-nuierlich in horizontalen und vertikalen Sch�l- und in St�lpfilterzentrifugen undkontinuierlich in selbststransportierenden Gleit-, Schwing- und Taumelzentrifu-gen sowie in Schub- und Siebschneckenzentrifugen mit Feststoffzwangstransporterzeugt. Die Druckdifferenz bleibt w�hrend des Filtrationsprozesses nicht kon-stant, sondern nimmt mit sinkendem Fl�ssigkeitsniveau h in der Trommel ab(Abb. 4.32).

Der Zentrifugaldruck �pz errechnet sich als hydrostatischer Druck im Zentri-fugalfeld:

�pz ¼ �LgZh ¼ �Lr!2h ð4:39Þ

Nach der Kuchenbildung schließt sich bei Bedarf eine Waschung des Filterkuchensan, um l�sliche Bestandteile aus der Suspensionsfl�ssigkeit oder Reste derselbenaus dem Feststoff zu entfernen. Der Filterkuchen wird zu diesem Zweck entwederin Waschfl�ssigkeit resuspendiert und erneut filtriert oder er wird von der Wasch-fl�ssigkeit durchstr�mt.

Die Verd�nnungsw�sche erfordert entweder einen diskontinuierlichen Filterappa-rat zur Resuspendierung des Filterkuchens oder mehrere in Reihe geschaltetekontinuierliche Filterapparate (vgl. Abschnitt 4.4.5.2).

Die Durchstr�mungsw�sche unterteilt sich in einen relativ schnellen Schritt derVerdr�ngung der Fl�ssigkeit aus den groben Poren des Filterkuchens und einen

Abb. 4.32 Prinzip der Zentrifugalfiltration


zeitaufw�ndigeren diffusionskontrollierten Schritt. Bei einer Reihe von Filtern, wieetwa dem Vakuum-Bandfilter kann man die Waschfl�ssigkeit durch F�hrung imGegenstrom zur Transportrichtung des Filterkuchens besonders effektiv nutzen.Eine Gegenstromw�sche in Zentrifugen ist nicht m�glich.

Anschließend an die Kuchenw�sche oder gleich an die Kuchenbildung erfolgteine mechanische Kuchenentfeuchtung.

Hierbei lassen sich zwei prinzipiell verschiedene Arten der Filterkuchenentfeuch-tung unterscheiden (Abb. 4.33).

Bei der Entfeuchtung durch Verdichtung der Kuchenstruktur wird Fl�ssigkeit ausden Poren des Haufwerkes verdr�ngt, die Poren bleiben aber vollst�ndig ges�ttigt.

Der zur Verdichtung des Filterkuchens erforderliche Pressdruck l�sst sich– hydraulisch durch Nachpressen von Suspension in eine schon mit Feststoff ge-f�llte Filterkammer,

– mechanisch durch eine Pressmembran oder einen Presskolben und– durch Massenkr�fte im Zentrifugalfelderzeugen.

Eine Verbesserung des Verdichtungsvorganges kann in speziellen Apparaten durch�berlagerung der einaxialen Haufwerksbeanspruchung mit einer senkrecht dazuwirkenden Scherung erreicht werden.

Dies findet man beispielsweise bei den schon erw�hnten Doppelbandpressen, indenen der Filterkuchen zwischen zwei Pressb�ndern verdichtet und durch Umlen-kung dieser B�nder in einem Walzensystem zus�tzlich geschert wird.

Eine weitere M�glichkeit zur Erleichterung von Relativbewegungen der Partikelnim Haufwerk und damit der Ausbildung einer dichteren Packung besteht in derEinleitung von Schwingungen. Die Frequenzen dieser Vibrationen k�nnen bei denh�ufig f�r die Entfeuchtung grobk�rniger Partikeln eingesetzten Schwingsieben imBereich von ca. 50–60 Hz oder bei den selten angewandten elektroakustischen Ent-

Abb. 4.33 Entfeuchtungsmechanismen bei der Kuchenfiltration


feuchtungsverfahren f�r sehr feink�rnige Teilchen im Bereich des Ultraschalls beimehr als 20 kHz liegen.

Die zweite M�glichkeit zur Kuchenentfeuchtung beruht auf der Verdr�ngung derPorenfl�ssigkeit aus der als starr angenommenen Haufwerksstruktur mit einemGas. Durch die Ausbildung einer Grenzfl�che zwischen den fluiden Phasenkommt es hierbei zur Ausbildung von Kapillarkr�ften, die die Fl�ssigkeit in denPoren zur�ckzuhalten versuchen.

Ist die von außen anliegende Druckdifferenz gr�ßer als der Kapillardruck, dringtdas Gas in die Poren ein und verdr�ngt die Fl�ssigkeit. Das Haufwerk wird unter-s�ttigt und es bildet sich eine Zweiphasenstr�mung von Gas und Fl�ssigkeit aus.An den Kontaktstellen der Partikeln, auf ihrer Oberfl�che und in eventuell vorhan-denen Poren im Partikelinneren bleibt Fl�ssigkeit zur�ck, die mechanisch nichtweiter entfernt werden kann.

Der Kapillardruck pK in einer kreiszylindrischen Pore h�ngt von der Grenzfl�-chenspannung der Fl�ssigkeit �L, und dem Kr�mmungsradius der Grenzfl�che Rab, der �ber den Benetzungsrandwinkel der Fl�ssigkeit am Feststoff � mit dem Ka-pillarradius r korreliert ist (Abb. 4.34).

pK ¼ 2�L cos �

rð4:40Þ

Neben der Verdr�ngung der Porenfl�ssigkeit durch Luft oder Stickstoff hat sich inj�ngerer Zeit auch die Dampfdruckfiltration etabliert, bei der Dampf unter hohemDruck als Verdr�ngungsmedium verwendet wird. Kondensations- und Verdamp-fungsvorg�nge sorgen bei diesem Verfahren zur mechanisch/thermischen Ent-feuchtung f�r eine weitgehend kolbenf�rmige Verdr�ngung der Porenfl�ssigkeitund eine hocheffiziente Waschung des Filterkuchens. Der mechanischen Fl�ssig-keitsabtrennung wird eine thermische Nachtrocknung direkt angeschlossen.

Entsprechend den sehr unterschiedlichen Einsatzbereichen und apparativen Al-ternativen f�r die Kuchenfiltration existiert eine F�lle von speziell f�r die jeweiligeProblemstellung konstruierten Filtermedien als entscheidend wichtiger Schnitt-stelle zwischen Suspension und Apparat: Die verwendeten Medien reichen von Ge-

Abb. 4.34 Kapillardruck in einer kreiszylindrischen Pore


Abb. 4.35 Prinzip der Anschwemmfiltration auf Trommelfiltern

weben, Vliesen und Filzen, Sintermaterialien und Spaltsieben bis hin zu feinpor�-sen Membranen und Anschwemmschichten aus k�rnigen oder faserigen Materia-lien (siehe Abschnitt 4.4.6.2).

Eine besondere M�glichkeit zur Kuchenfiltration gering konzentrierter und ex-trem feink�rniger Suspensionen auf Vakuumtrommelfiltern ist die Anschwemm-filtration, die auch als Hilfsschicht- oder Precoat-Filtration bezeichnet wird (Abb.4.35).

Hier wird in einem ersten Arbeitsschritt eine mehrere Zentimeter dicke Schichtgut filtrierbaren Filterhilfsmittels auf der mit einem Filtergewebe bespannten Trom-mel anfiltriert. In einem zweiten Arbeitsschritt wird dann die zu kl�rende Fl�ssig-keit filtriert. Deren schwer filtrierbare und in geringer Konzentration vorliegendefeste Inhaltsstoffe lagern sich in die obersten Schichten des Filterhilfsmittels ein,verstopfen diese und bilden einen sehr d�nnen Kuchen. Dieser wird kontinuierlichnach jeder Trommelumdrehung mit einem Messer von der Trommel abgeschabt, sodass f�r den erneuten Filtrationsvorgang wieder eine filtrierf�hige Schichtoberfl�-che geschaffen wird.

Die Anschwemmfiltration ist im �bergangsgebiet zur Tiefenfiltration angesiedeltund kann vorzugsweise auf diskontinuierlich arbeitenden Kuchenfiltern auch alsreine Tiefenfiltration betrieben werden (vgl. Abschnitt 4.4.6.2).

Bei einer Sonderform der Anschwemmfiltration, die auch als Body-Feed-Filtra-tion bezeichnet wird, gibt man das Filterhilfsmittel direkt in die zu filtrierende Sus-pension (Abb. 4.36).

Die Anschwemmfiltration wird vielfach auch mit der Body-Feed-Filtration kombi-niert, indem der zu trennenden Suspension zus�tzlich Filterhilfsmittel beigemischtwird, um die Filtrationseigenschaften der Suspension zu verbessern.

Querstromfiltration. Die Querstromfiltration ist, wie die Kuchenfiltration, eine Formder Oberfl�chenfiltration, wobei auch hier entweder der Feststoff (Konzentrat) oderdas Filtrat (Permeat) als Wertprodukt gewonnen werden k�nnen.


Abb. 4.36 Prinzip der Body-Feed-Filtration

Die abzutrennenden Stoffe werden durch einen parallel zum Filtermedium ge-f�hrten Zulaufstrom weitestgehend an der Ausbildung einer als Deckschicht be-zeichneten impermeablen Ablagerung am Filtermedium gehindert, die ansonstenaufgrund der transmembranen Druckdifferenz als Filterkuchen entstehen w�rde(Abb. 4.37).

Diese Art der Filtration dient insbesondere zur Abtrennung sehr kleiner Parti-keln, Kolloide und Makromolek�le und wird auch als Cross-Flow-, Shear-Stress-,Delayed-Cake- oder dynamische Filtration bezeichnet.Wegen der meist sehr geringen Abmessungen der abzuscheidenden Stoffe wer-

den f�r die Querstromfiltration meist feinpor�se Membranen als Filtermedium ver-wendet. Diese k�nnen schlauchf�rmig als Rohr- und Kapillarmodule oder in flacherForm als Kissen-, Spiralwickel- oder Plattenmodule angeordnet sein.

Die Relativbewegung zwischen Partikeln und Membran kann bei den Scherspalt-filtern zus�tzlich zur �berstr�mung auch mit Hilfe von R�hrelementen oder Ro-

Abb. 4.37 Prinzip der Querstromfiltration


tor/Stator-Systemen unterst�tzt werden. Dar�ber hinaus ist die Einleitung vonSchwingungen in die Membran bekannt.

Als weitere deckschichtbehindernde Maßnahme (vgl. Abschnitt 4.4.7) l�sst sichdurch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen Membran und Apparatewandverhindern, dass geladene Partikeln sich der gleichpolig geladenen Elektrode hinterder Membran n�hern.

Entlang der Str�mungsrichtung erfolgt bei der Querstromfiltration eine Aufkon-zentrierung der Suspension oder L�sung, die jedoch nur maximal bis zur Grenzeder Fließf�higkeit des Konzentrates gesteigert werden kann. Ein Querstromfilterap-parat ist also vorzugsweise f�r die Aufkonzentrierung von Suspensionen oder L�-sungen in einem breiten Spektrum m�glicher Anreicherungsgrade geeignet. Beithixotropem Fließverhalten kann das Konzentrat durch die Einleitung von R�hr-energie trotz hohen Eindickungsgrades bis zum Austritt aus dem Apparat noch fließ-f�hig gehalten werden. Nach demAustrag erstarrt es dann zu einer festenMasse.

Bei Anwendungsf�llen, in denen alternativ auch eine Tiefenfiltration (vgl. Ab-schnitt 4.4.6.2) mit nicht regenerierbarer Filterschicht in Frage k�me, besitzt dieQuerstromfiltration den Vorteil, keinen zus�tzlichen Abfall zu erzeugen.

Seine Grenzen findet das Verfahren der Querstromfiltration sowohl in einemh�ufig noch nicht ausreichenden Entfeuchtungsgrad des abgeschiedenen Feststof-fes als auch in einer unter Umst�nden trotz Regenerierungsmaßnahmen nichtlange genug vermeidbaren irreversiblen Verstopfung der Membranporen.

Bei der Querstromfiltration durch por�se Filtermedien unterscheidet man jenachdem, ob es sich um die Abscheidung fester Partikeln oder in L�sung vorliegen-der großer Molek�le handelt, die Verfahren der Mikrofiltration und der Ultrafiltra-tion.

Ultrafiltrationsmembranen sind immer noch Porenmembranen mit konvektivemStofftransport. Die Ultrafiltration wird f�r Kolloide und Makromolek�le im Be-reich von etwa 0,2–0,002 �m betrieben. Die Partikelgr�ßen im Bereich der Mikro-filtration liegen in den meisten Anwendungsf�llen bei etwa 20–0,02 �m. Der Mi-kro- und Ultrafiltration schliesst sich der Bereich der Nanofiltration bei noch klei-neren Partikelgr�ßen an.

4.4.6.2 TiefenfiltrationBei der Tiefenfiltration werden die in einer Suspension befindlichen Teilchen im In-neren einer por�sen Filterschicht solange abgeschieden, bis deren Kapazit�t zurAufnahme von Feststoffen ersch�pft ist (Abb. 4.38).

Diese Kapazit�tsgrenze ist dann erreicht, wenn entweder der Druckverlust bei derDurchstr�mung einen kritischen Wert �bersteigt oder Feststoff ins Filtrat durch-bricht.

Die Feststoffkonzentration im Filterzulauf darf bei der Tiefenfiltration einen ma-ximalen Wert nicht �bersteigen, um die Oberfl�che der Filterschicht nicht zu ver-stopfen. Derartige Verblockungen entstehen, wenn mehrere Partikeln bei h�hererKonzentration gleichzeitig in eine Pore der Tiefenfilterschicht einzudringen versu-chen und sich dabei gegenseitig behindern. Bei der Tiefenfiltration w�rde eine der-artige Feststoffbr�ckenbildung nachfolgende Partikeln daran hindern, ins Innere


Abb. 4.38 Prinzip der Tiefenfiltration

der Filterschicht vorzudringen und durch einen drastischen Anstieg des Gesamt-durchstr�mungswiderstandes zum Versagen des Verfahrens f�hren.

Die Tiefenfiltration wird vorzugsweise dort angewandt, wo gering mit Tr�bstoffenbelastete Fl�ssigkeiten das Wertprodukt darstellen und gekl�rt werden m�ssen. DieFeststoffkonzentration derartiger Fl�ssigkeiten liegen im Bereich weniger Grammpro Kubikmeter Fl�ssigkeit und die Partikeldurchmesser im Bereich weniger Mi-krometer bis in den Submikrometerbereich hinein.

Eine weitergehende mechanische Entfeuchtung des abgeschiedenen Feststoffesist bei den Verfahren der Tiefenfiltration nicht m�glich.

Der Feststoff wird entweder durch R�cksp�lung der Filterschicht mit einem ge-ringen Teil der gekl�rten Fl�ssigkeit als konzentrierter Schlamm oder zusammenmit der Filterschicht aus dem Prozeß entfernt.

Man unterscheidet bei den Tiefenfiltrationsverfahren– Sch�ttschichtfilter,– Patronen oder Schichtenfilter,– Anschwemmschichtfilter und– R�cksp�lfilter.

Die Sch�ttschichtfilter bestehen aus diskret dispersen Sch�ttungen, die nach demFiltrationsprozess entweder durch R�cksp�lung regeneriert oder nach dem Aus-r�umen des verbrauchten Filtermaterials erneuert werden m�ssen. Als Filtermate-rialien werden Kies, Sand, Kieselgur, Perlite, Aktivkohle, Polymere und �hnlichesverwendet. Materialien wie Aktivkohle oder Ionentauscherharze sind �ber die me-chanische Abscheidung von Feststoffen hinaus in der Lage, auch gel�ste Fl�ssig-keitsinhaltsstoffe zu binden.

Zylindrische Patronen- und plattenf�rmige Schichtenfilter verwenden vorgefer-tigte Filterschichten, die in der Regel nicht regenerierbar sind und nach Erreichender Kapazit�tsgrenze ausgetauscht werden m�ssen. Im Falle von Patronenfilternkommen h�ufig Garnwickelkerzen und gesinterte oder harzgebundene Partikel-schichten zum Einsatz. Fl�chige Schichtenfilter verwenden dagegen meist durch


Harze verfestigte Filterplatten aus faserf�rmigen (Cellulose) ger�stbildenden undpartikul�ren (Kieselgur) abscheidenden Komponenten.Tiefenfiltration kann auf vielen zur Kuchenfiltration geeigneten Apparaten, wie

diskontinuierlichen Kerzen- und Blattfiltern realisiert werden, indem vor der eigent-lichen Produktfiltration eine por�se Filterhilfsschicht angeschwemmt wird, diedann als Tiefenfiltermedium dient. Diese Art der Filtration wird auch als An-schwemm- oder Precoat-Filtration bezeichnet. Nach Erreichen der Schmutzaufnah-megrenze wird die gesamte Anschwemmschicht als Filterkuchen ausgetragen undder Zyklus beginnt mit dem Anfiltrieren einer neuen Anschwemmschicht. Die An-schwemmfiltration auf kontinuierlichen Trommelfiltern bietet die M�glichkeit, dieoberfl�chig durch abgeschiedene Partikeln verblockte Precoatschicht bei jeder Trom-melumdrehung mit einem Messer abzusch�len und damit neue Filteroberfl�che zuerzeugen. Dies erm�glicht die Filtration auch feinstk�rniger Suspensionen beih�herer Konzentration, so dass hier ein �bergang zur Kuchenfiltration erfolgt(siehe Abschnitt 4.4.6.1).

Filterhilfsmittel bestehen entweder aus mineralischen oder organischen Materia-lien. Sie k�nnen mehr partikul�ren oder mehr faserf�rmigen Charakter aufweisen.Als partikul�re Stoffe finden Kieselgur, Perlite, Kohle, St�rke u.a. Anwendung, alsfaserf�rmige Stoffe werden je nach Anforderungen an den Prozess Holzfasern, ex-traktfreie oder reine Cellulose u.a. verwendet. Bei entsprechend geringer Faserl�ngenehmen auch letztgenannte Materialien partikul�ren Charakter an.

Als Anforderungen an den Prozess sind insbesondere Grenzwerte f�r die Ionen-abgabe und L�slichkeit der Precoatmaterialien in der zu kl�renden Fl�ssigkeit zunennen, die aus Gr�nden der Produktreinheit nicht �berschritten werden d�rfen.

Bei der Auswahl des geeigneten Filterhilfsmittels spielen neben den Abscheideei-genschaften und Reinheitsanforderungen auch Anschaffungs- und Entsorgungs-kosten eine Rolle, wobei insbesondere bez�glich der Entsorgung organische Filter-hilfsmittel Vorteile durch geringes Sch�ttgewicht, biologische Abbaubarkeit undfast aschefreie Verbrennbarkeit besitzen.

R�cksp�lfilter unterscheiden sich von den bisher genannten Tiefenfiltern da-durch, dass die in den obersten Schichten eines kompakt dispersen por�sen Filter-mittels abgeschiedenen Feinstpartikeln periodisch durch R�cksp�lung wieder ent-fernt werden (Abb. 4.39).

Abb. 4.39 Prinzip der R�cksp�lfiltration


Als Filtermedium kommen hier insbesondere gesinterte Metall- oder Keramikma-terialien zum Einsatz. Die R�cksp�lung erfolgt �ber ein sich periodisch �ber dasFiltermedium bewegendes Absaugorgan, welches meist als Schlitzd�se ausgebildetist.

4.4.7

Trennung im elektrischen oder magnetischen Feld

Setzt man eine Suspension einem elektrischen Feld aus, so wandern elektrisch gela-dene Partikeln zur entgegengesetzt gepolten Elektrode. Dieser Vorgang wird alsElektrophorese bezeichnet.

Bei den Chromatografieverfahren bedient man sich der Elektrophorese als Trans-portmechanismus, um kolloidale Stoffgemische im Innern von por�sen Systemendefinierter Porengr�ße in ihre Komponenten zu zerlegen.

Bei der Elektroosmose werden Ionen in w�ssrigen L�sungen unter Mitnahmevon Wassermolek�len zur jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode transpor-tiert. Auf diese Weise kann bereits abgeschiedenen partikul�ren Feststoffen wei-tere Fl�ssigkeit entzogen werden.

Zus�tzlich aufgeschaltete elektrische Felder werden in Sonderf�llen bei Press-und Querstromfiltern f�r die Trennung schwer filtrierbarer Suspensionen genutzt.Durch Anordnung und Polung entsprechender Elektroden werden die Partikelnvom Filtermedium ferngehalten und die Filtrationsleistung des Trennapparateswird gesteigert (Abb. 4.40).

Als st�rend f�r den Prozess wirken sich Begleiterscheinungen, wie Elektrolyseaus.

Ferro- und paramagnetische Stoffe lassen sich mit Schwach- und Starkfeldmag-netscheidern aus Fl�ssigkeiten abscheiden. Derartige Verfahren finden breite An-wendung, z.B. in der Erzaufbereitung.

Die elektrischen und magnetischen Abscheideverfahren stellen zwar gegen�berden Dichtetrenn- und Filtrationsverfahren in einer ganzen Reihe von Anwendungs-f�llen die optimale L�sung f�r das jeweilige Trennproblem dar, sind aber quantitativvon untergeordneter Bedeutung.

Abb. 4.40 Prinzip der Presselektrofiltration


4.4.8

Kriterien zur Auswahl von Fest/Fl�ssig-Trennapparaten

Die Entscheidung f�r die Wahl eines bestimmten Verfahrens zur L�sung einesFest/Fl�ssig-Trennproblems h�ngt von sehr unterschiedlichen Kriterien ab.

In einem ersten Schritt muß das Trennproblem analysiert und ein Anforderungs-profil an die Trennergebnisse formuliert werden. Auf diese Weise kann die Auswahldes Trennverfahrens von der physikalischen Realisierbarkeit her eingegrenzt wer-den. Es schließen sich in der Regel Trennversuche im Labormaßstab an, um f�rden jeweiligen Anwendungsfall und einen ins Auge gefaßten Apparatetyp die not-wendige Datenbasis zu bekommen.

Unter Einbeziehung wirtschaftlicher und anderer Kriterien ist dann auf derGrundlage der Laborversuche meist ein Test im halbtechnischen Maßstab mit demins Auge gefaßten Apparatetyp notwendig. Hiermit sollen die apparatespezifischenParameter untersucht werden, die mit dem einfachen Laborversuch nicht erfasstwerden k�nnen. Vom erfolgreich durchgef�hrten Pilottest kann eine quantitativeHochrechnung auf die vorgesehene Betriebsgr�ße erfolgen.

5

Zerkleinern

Nahezu alle festen Stoffe m�ssen bei Gewinnung und Verarbeitung zerkleinert wer-den; Beispiele daf�r sind mineralische, pflanzliche und tierische Rohstoffe, Zwi-schen- und Endprodukte in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, Pig-mente, Kunststoffe, Baustoffe und Abfallstoffe (z.B. Schrotte, Kunststoffe, Altpa-pier). Die Aufgabenstellungen beim Zerkleinern k�nnen unterschiedlich sein undlassen sich nach folgenden Gesichtspunkten unterteilen:l Partikelgr�ßenverteilung: Im einfachsten Fall ist eine bestimmte charakteristische

Partikelgr�ße, z.B. der Medianwert oder die Obergrenze, vorgegeben. Zus�tz-lich k�nnen auch Forderungen bez�glich der Verteilungsbreite oder gar derVerteilungsfunktion gestellt sein. In manchen F�llen wird eine untere Begren-zung der Partikelgr�ßenverteilung verlangt (staubfreies Produkt). Solch weiter-f�hrende Forderungen k�nnen im Allgemeinen nicht durch bloßes Zerklei-nern, sondern nur mit einer Kombination von Zerkleinerungsmaschinen undKlassiereinrichtungen erf�llt werden.

l Spezifische Oberfl�che: Prinzipiell l�sst sich die gleiche spezifische Oberfl�chemit unendlich vielen Partikelgr�ßenverteilungen erreichen. Deshalb ist dieseAnforderung meistens mit einer Vorgabe zum K�rnungsaufbau, z.B. Median-wert oder K�rnungsspanne, verkn�pft.

l Aufschlussgrad: Die Partikeln von mineralischen und pflanzlichen Rohstoffensowie von Abfallstoffen bestehen aus verschiedenen Komponenten. Das Zer-kleinern soll die Wertstoffe freilegen, um diese mittels eines Sortierprozessesgewinnen zu k�nnen.


mechanische verfahrenstechnik (bohnet/mechanische verfahrenstechnik) || mechanische trennverfahren

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