Als Ergebnis von Stoffumwandlungsvorgängen in der chemischen und artverwandten Industrie entstehen im allgemeinen Gemische von Reaktionsprodukten, die einer Aufbereitung durch Trennoperationen bedürfen. Nach der Art der Triebkraft wird zwischen mechanischer und thermischer Stofftrennung unterschieden. Gegenstand dieses Abschnittes sind die mechanischen Operationen Sedimentieren, Zentrifugieren, Zyklonieren und Filtrieren, die zur Trennung heterogener disperser Systeme verschiedener Phasenkombinationen vielfältige Anwendung finden. Trennen ist das Zerlegen eines Stoffgemisches oder -gemenges in einzelne Komponenten oder Phasen. Bei der mechaniachen Trennung heterogener, fluider Systeme werden die Triebkräfte im Erdschwerefeld, in einem Zentrifugalbeschleunigungsfeld oder Druckkraftfeld erzeugt. Unter einem heterogenen dispersen System ist die mehr oder weniger feine Verteilung einer nicht löslichen dispersen Phase in einem fluiden Trägermedium, dem Dispersionsmittel, zu verstehen. Am häufigsten sind folgende Systeme zu trennen:
Die Trennung dieser Systeme durch hydrodynamische Operationen erfolgt nach zwei Grundprinzipien. 1. Den abzutrennenden dispersen Teilchen wird eine Kraft übertragen, die ihre Bewegung in der gewünschten Abscheiderichtung bewirkt. Nach diesem Prinzip verlaufen die Absetzprozesse. 2. Dem dispersen System wird eine Strömung aufgezwungen, wobei das Dispersionsmittel ein poröses Trennmedium durchströmt und die disperse Phase von diesem Filtermittel zurückgehalten wird. Nach diesem Prinzip verlaufen die Filtrationsprozesse.
Filtrieren ist das Trennen eines Flüssig-Fest-Systems in seine Komponenten mittels eines für die Flüssigkeit durchlässigen Filtermittels, das die Feststoffteilchen zurückhält. Die analoge Operation für Gas-Fest-Systeme wird als Filtern bezeichnet. Die treibende Kraft der Filtratströmung durch die Filterschicht kann ein Überdruck, Unterdruck, hydrostatischer Druck oder Kapillardruck sein. Für die Trennung von Suspensionen ist die Filtration die am universellsten einsetzbare Methode, welche bei kleinsten und größten Mengen bzw. Durchsätzen von Trüben jeder Art, mit geringem und hohem Feststoffgehalt sowie groben und feinen Teilchen bis zu kolloidalen Lösungen angepaßt werden kann. Wenn sich Feststoffpartikeln aufgrund ihrer Dichte nicht absetzen, ist die Filtration das alternative Trennprinzip. Häufig ist die Sedimentation eine Vorstufe der Filtration, um durch Voreindickung die teurere Filtrationsstufe von Flüssigkeit zu entlasten, wenn es um die Gewinnung des möglichst trockenen Feststoffes geht (Unterlauf des Eindickers geht zum Filter), oder um relativ grobe Teilchen vor Feinfiltern auszuscheiden (Oberlauf des Absetzapparates geht zum Filter). Kuefenfiltration Bei der Filtration relativ feststoffreicher Suspensionen lagert sich auf dem Filtermittel ein meßbar dicker, mehr oder weniger poröser Filterkuchen ab, der ebenfalls vom Filtrat durchströmt wird und als sekundäres Filtermittel wirkt. Verstopfungsfiltration: Die suspendierten Teilchen stark verdünnter Suspensionen lagern sich in oder über den Poren des Filtermittels ab und verstopfen einen Teil von ihnen teilweise (Standardverstopfung) oder völlig (vollständige Verstopfung). Der Konzentrationsbereich zwischenetwa 0,1 und 1 Vol.-% ist durch Voreindickung (oder in selteneren Fällen durch Verdünnung) zu vermeiden. Die Abscheidung von Teilchen, die größer als die Filtermittelporen sind, läßt sich durch Siebwirkung erklären; dieser Effekt wird als Oberflächenfiltration bezeichnet. Bei der so genannten Tiefenfiltration (auch Innenfiltration genannt) dringen Teilchen, die kleiner als die Filtermittelporen sind, in dieselben ein und lagern sich infolge des ungeradlinigen, verzweigten Verlaufs der Porenkanäle in ihnen ab. Dieser auch als Brückenbildung bezeichnete Vorgang wird durch Adsorptions- und elektrische Ladungseffekte mit beeinflußt. Zum Beispiel kann eine Ruß-Wasser-Suspension durch ein Filterpapier mehrfach größerer Porenweite als die Rußteilchengröße scharf filtriert werden. Bei Zugabe einer Seifenlösung durchdringen die Teilchen die Poren, und das Filter läuft trüb. Durch die verringerte Oberflächenspannung werden die Filtermittelfasern besser benetzt und entziehen den Teilchen ihren umhüllenden Flüssigkeitsfilm, der sie scheinbar vergrößerte. Der technische Filtrationsprozeß hat die Gewinnung eines möglichst klaren Filtrates (Klärfiltration) bzw. die Trennung in einen feuchtigkeitsarmen Kuchen und feststofffreies Filtrat (Trennfilration) zum Ziel. Dabei können folgende Teilstufen ablaufen:
Als wesentliche Einflußgrößen auf die Intensität und das Trennergebnis der Filtration gelten die Suspension, das Filtermittel und die Druckdifferenz. Die Suspension liefert mit Größe, Form und Plastizität der Teilchen, dem Feststoffgehalt, der temperaturabhängigen Viskosität der Flüssigkeit sowie ihrem Gehalt an Elektrolyten und oberflächenaktiven Substanzen (Tensiden) zahlreiche stoffliche Parameter. So kann der Feststoff grob- bis feinkörnig (10^-3 bis 10^-6m), nadelig kristallin (Kupfersulfat, Natriumkarbonat, Gips), rundkörnig amorph (Stärke, Hefe), faserig (Zellulose), kolloid (Ton) oder schleimig (Stippen in Leimbrühen und Viskose) sein. Von »einer« Teilchengröße kann kaum gesprochen werden; es liegen fast immer Dispersionen eines mehr oder weniger breiten Größenspektrums vor, das sich durch Bildung von Teilchenagglomeraten (Flocken) entscheidend verändern kann. Die dynamische Viskosität der flüssigen Phase liegt in der Größenordnung von 10-6 bis 101 kg/Kubikmeter. Da die Filtration oft durch die Sedimentation fördernd oder störend überlagert wird, spielen die Dichten der beiden Phasen bzw. ihre Differenz eine nicht unwichtige Rolle. Vom Filtermittel, dem porösen Trennmedium, wird einerseits ein hohes Rückhaltevermögen für den Feststoff und andererseits eine gute Durchströmbarkeit für die fluide Phase verlangt. Rein geometrisch sind dafür die Porenweite bzw. deren Verteilung, die Anzahl der Poren pro Flächeneinheit, ihre Form und die Dicke des Filtermittels als Maß für die Porenlänge maßgebend. Für einen technischen Dauerbetrieb ist, insbesondere bei kontinuierlichen Filtern, die Regenerierbarkeit des Filtermittels, d.h. ein leichtes Ablösen des Rückstandes und die Beseitigung der Verstopfungen durch Rückspülen, eine entscheidende Bedingung. Triebkraft der Filtration ist die Druckdifferenz zwischen den einander abgekehrten Seiten der Filterschicht, wobei unter Filterschicht die Einheit aus Kuchen (wenn vorhanden) und Filtermittel einschließlich Filtermittelträger zu verstehen ist. Sie beeinflußt die Strömungsgeschwindigkeit in den Poren der Filterschicht, den Kuchenaufbau bzw. die Filtermittelverstopfung und die Entfeuchtung des Rückstandes. Die Druckdifferenz kann während des Filterbetriebes konstant sein oder ansteigen.
Waren bei den Absetzprozessen Größen wie Absetzgeschwindigkeit, Klärflächenbelastung, erforderliche Absetzfläche und Trennkorngröße Gegenstand und Ziel von Berechnungen, so sollen die theoretischen Betrachtungen hier Antworten auf die praktischen Fragen nach der Filtrationsgeschwindigkeit, dem Filtrat- und Feststoffdurchsatz, der erforderlichen Filterfläche oder der Dauer von Filtrationsprozessen geben.
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