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1. Einführung

Die Abtrennung von Partikeln ausFlüssigkeiten ist eine Querschnitts -technologie, die nahezu jeden Bereich derindustriellen Produktion, unseres täglichenLebens und der Umwelt berührt.Fest/Flüssig-Trennung kann auf ganzunterschiedliche Ziele ausgerichtet sein,wie etwa Flüssigkeitsklärung, Fest stoff -eindickung, -entfeuchtung, Partikel -reinigung, -waschung, -fraktionierung, -sor tierung, -extraktion und andere.Trennprozesse müssen für eine extremeBandbreite unterschiedlicher Randbedin -gungen beherrscht werden. Dies umfasstdie Partikelgröße, -verteilung, -form und -konzentration, die spez. Dichte vonFeststoff und Flüssigkeit, die chemischeZusammensetzung und Rheologie derSus pension, Volumenströme, Prozess -bedin gungen und schließlich die spezifi-schen Anforderungen an das Trenn -ergebnis. Es ist offensichtlich, dass fürderart vielfältige Randbedingungen sehrunterschiedliche Trennprinzipien und eineVielzahl hoch spezialisierter Trenn -apparate für optimale Problemlösungenerforderlich sind. Eine Betrachtung dertrenntechnischen Entwicklungsgeschichtezeigt vielerlei interessante Analogien zuevolutionären Entwicklungsprozessen inder Biologie. Entsprechend den Anforde -rungen durch die Umgebungsbedingungenentwickelten sich immer besser angepassteund spezialisierte Arten und verschwandenwieder, wenn sie sich nicht erfolgreichgegenüber Konkurrenten durchsetzen

konnten oder die äußeren Bedingungendes Lebens sich änderten. Das natürlichePrinzip der Fortentwicklung durchMutation und Selektion weist Ähnlichkei-ten zu technischen Prozessen und damitauch zur Trenntechnik auf. Motivation undtreibende Kraft für neue Entwick lungen istein reales und vorzugsweise dringendesBedürfnis zur Lösung einer aktuellenProblemstellung und der Druck, am Markterfolgreich zu sein. Wenn dann – in denmeisten Fällen auf der Basis vertieftenHintergrundwissens auf dem Gebiet derTrenntechnik - eine „zündende“ und inno-vative Idee entsteht, hat ein verbessertesoder sogar neues Verfahren die Chance aufRealisierung und Eroberung einesbestimmten Markt segmentes. Selbstver -ständlich müssen hierfür einige grundle-gende Randbedingungen, wie technischeund ökonomische Machbarkeit in ausrei-chendem Maße gegeben sein. Um erfolg-

reich zu sein, muss das neue Konzept spe-zifische Vorteile gegenüber vergleichbarenProdukten besitzen, weil es sonst wiederverschwinden wird. Im Unterschied zurNatur macht der kreative „Genius“ desIngenieurs in Verbindung mit einer aufGrundlagenuntersuchungen basierendenfundierten Wissensbasis neue technischeEntwicklungen zielgerichteter und schnel-ler. Heute wird dies durch verbesserteMessmethoden und leistungsfähige nume-rische Simulationswerkzeuge zusätzlichunterstützt. Die in ter disziplinäre Zusam -men arbeit gewinnt immer größere Bedeu -tung, weil die Trennaufgaben immer kom-plexer werden. Dennoch sind systema- tische Methoden zur Unterstützung kreativer Ideenfindungsprozesse, wie dasDenken in Analogien, Brainstorming,morphologische Kästen u.a. unverzichtbarfür die Entwicklung innovativer Produkte.Insbesondere das Denken in Analogien zur

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150 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 3

* Dr.-Ing. Harald Anlauf Karlsruhe Institute of Technology (KIT)Institute of Mechanical Process Engineering and Mechanics (MVM)Straße am Forum 8, D-76131 Karlsruhe [email protected]

Evolution in der Trenntechnik –technische Entwicklung durchMutation und Selektion H. Anlauf*

Die Abtrennung von Partikeln aus Flüssigkeiten ist eine Querschnittstechnologie, die nahezu jeden Bereich der industriellenProduktion, unseres täglichen Lebens und der Umwelt berührt. Zur Lösung der vielfältigen Fest/Flüssig-Trennaufgabenin solch unterschiedlichen Anwendungsgebieten sind eine sehr große Zahl unter schiedlicher Trenn prinzi pien bzw. hoch -spezialisierter Trennapparate erforderlich. Eine Betrachtung der trenntechnischen Entwicklungsgeschichte zeigt vielerleiinteressante Analogien zu evolutionären Ent wick lungs prozessen in der Biologie. Motivation für die Entwicklung neuerund verbesserter Trenntechniken ist in der Regel ein dringender Bedarf zur Lösung eines aktuellen Trennproblems undder Druck, am Markt erfolgreich zu sein. Um erfolgreich zu sein, muss ein neues Konzept Vorteile im Vergleich zumStand der Technik aufweisen. Im Unterschied zu natürlich ablaufenden Prozessen macht der kreative Genius desIngenieurs in Ver bin dung mit umfassendem Fachwissen technische Entwicklungen schneller und zielgerichteter. Eswerden einige evolutionäre Aspekte aus dem Gebiet der Trenntechnik am Beispiel von Filtern und Zentrifugen erläutert.In Anlehnung an aktuelle Trends werden neue Entwicklungen beschrieben und einige Ausblicke in die Zukunft diskutiert.

Abb.1: Stammbäume des Tierreiches und der Trenntechnik

03_schwerpunktthemen_0312_seite_150-181__ 03.06.12 20:29 Seite 150

Findung neuer Problemlösungen regt die Fantasie durch die Über-tragung von Bildern in völlig andere Zusammenhänge an und sollan verschiedenen Beispielen erläutert werden. Weiterhin solleneinige evolutionäre Aspekte der Trenntechnik am Beispiel vonFiltern und Zentrifugen diskutiert werden. Angelehnt an aktuelleEntwicklungstrends, wie Steigerung der Energieeffizienz oder derProzessintensivierung werden neue Entwicklungen vorgestellt undeinige Aus blicke auf eventuelle künftige Entwicklungen gegeben

2. Übertragung von Bildern aus der Natur auf die Trenntechnik

Die Methode des Denkens in Analogien soll zunächst an einigenBeispielen illustriert werden. Wie Abb.1 zeigt, lässt sich ähnlichzur Biologie auch für die Trenn technik ein Stammbaum derEntwicklung aufstellen.

Ausgehend von einem natürlichen Bach, in dem Tie fen-,Kuchen-, Querstromfiltration und Partikel sedimen ta tion gleich-zeitig stattfinden, haben sich im Laufe der Ge schich te sehr hochentwickelte und spezialisierte Fil tra tions- und Sedimenta tions -verfahren entwickelt /1/. In ähnlicher Weise kann man der evolu-tionären Ent wick lung in der Tierwelt von vorzeitlichen Stachel -häutern zu hoch entwickelten Spezies, wie Vögeln, Reptilien oderSäugetieren folgen.

Ein weiteres Beispiel für Analogien zwischen Natur undTechnik wäre die Anpassung der Arten an ihre Um gebung. Wie inAbb. 2 zu sehen ist, haben sich Braun- und Eisbär an ihren jewei-ligen Lebensraum angepasst.

Auch Schälzentrifugen sind an die jeweiligen Um gebungs -bedin gungen anzupassen, unter denen sie betrieben werden. Eine

Schälzentrifuge für Chemika lien oder Mineralien muss keinehygienischen Stan dards erfüllen, wie etwa eine in der Pharmaziebetriebene Maschine. Im ersten Fall kann ein Rotations siphoninstalliert werden, mit dessen Hilfe die in der Maschine verblei-bende Partikelgrundschicht sehr effizient regeneriert und derFiltrationsdruck durch ein zusätzliches Vakuum verstärkt werdenkann. Dies ist bei pharmazeutischen Anwendungen nicht erlaubt,weil der geschlossene Filtratsammelraum hinter dem Filtermediumbei der Siphonmaschine sehr schlecht zugänglich und damit nichtausreichend reinigbar ist. Außerdem muss meist die Grundschicht

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F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 3 151

Abb. 2: Anpassung in Natur und Technik an dieUmgebungsbedingungen

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jeder Charge komplett auf pneumatische Weise aus der Trommelentfernt werden, um Kreuzkontamination der Chargen zu vermei-den.

Abb. 3 zeigt exemplarisch Bilder, welche direkt aus der Natur indie Technik übersetzt werden können.

Künstliche Nieren für die Blutwäsche können durch Quer strom-Membranfilter realisiert werden. Siebfilter zur Abtrennung vonÜberkorn wären ein Analogon zu den Barten eines Walfisches zurFiltration von Krill aus dem Seewasser. Ein viertes Beispiel fürAnalogien zwischen Natur und Trenntechnik wäre entsprechendAbb. 4 die Not wen dig keit eines Systemwechsels beim Erreichenspezifischer Grenzen.

Die Art der Fortbewegung bei Vögeln hängt von ihrer Größeund ihrem Gewicht ab. Im Normalfall kann ein Vogel fliegen, dochwird bei einer fortlaufenden Vergrößerung des Tieres ein kritischerPunkt erreicht, ab dem der Flug nicht mehr möglich ist und derVogel, wie etwa ein Strauß, sich nur noch laufend fortbewegenkann.

Wenn Partikeln abnehmender Größe separiert werden müssen,ist für relativ große Partikeln von mehr als 10 μm Durchmesser einVakuumscheibenfilter denkbar. Wenn die Partikeln kleiner werden,steigen der Filterkuchenwiderstand und der Kapillardruck imKuchen an. Wegen der physikalischen Begrenzung des Vakuumsliefert das Filter ab einem bestimmten Punkt nicht mehr genügen-de Durchsätze und der Filterkuchen bleibt zu feucht. Jetzt ist einSystemwechsel erforderlich, und ein Gasüberdruckfilter könntebefriedigende Trennergebnisse erzeugen. Wenn die Partikel durch -mes ser weiter auf 1 μm und weniger abfallen, ändert sich dieKuchenstruktur von spröde und inkompressibel zu weich, pastösund kompressibel. Eine Unter sättigung führt in solchen Fällenmeist zur Schrumpf rissbildung im Kuchen, und der Kompressorkann den Druck nicht aufrechterhalten. Es wird wiederum einSystemwechsel notwendig und die Trennaufgabe wäre mit einemPressfilter, wie etwa eine Membranfilterpresse, erfolgreich zu lösen.

3. Evolution von Trennprinzipien

3.1 Dekantierzentrifugen

Die erste Dekantierzentrifuge wurde im Jahr 1902 patentiert /2/.Wie Abb. 5 exemplarisch für die „Jahn-Zentrifuge“ (1907) zeigt,besaßen die ersten Dekanter eine vollkonische Trommel. Sie ver-änderten sich im Laufe der Zeit auf der Grundlage vertiefterGrund lagenkenntnisse zur Sedimentation zur schlankeren undzylindrisch/ konischen Form, wie sie ebenfalls in Abb. 5 für dasBeispiel eines modernen Gegenstrom dekan ters dargestellt ist. DieFeststoffe werden mittels einer Schnecke zur rechten Seite überden Konus zum Auswurf transportiert, während die Flüssigkeit denzylindrischen Teil der Trommel im Gegenstrom auf der linkenSeite über ein Wehr verlässt. Während der evolutionärenEntwicklung wurde das konstruktive Grund prinzip des Dekantersdiversifiziert, um unterschiedliche Trennaufgaben lösen zu kön-nen. Abb. 5 zeigt hierzu eine kleine Auswahl von Varianten.

Für sehr schwierig zu trennende, kleine und leichte Par tikeln,die ein weiches und leicht fließendes Sedi ment formen, ist ein spe-zielles Gleichstrom kon zept entwickelt worden, welches unter demNamen „Sedikanter“ bekannt geworden ist. Die Gleichstrom -führung von Feststoff und Flüssigkeit reduziert hier die Gefahreiner Wiederaufwirbelung von bereits abgesetzten Partikeln, undder durch hydrostatischen Druck unterstützte Transport desSchlammes unter einer Trennscheibe hindurch garantiert einensicheren Austrag. Ein anderer Dekantertyp ist darauf spezialisiert,Partikeln unterschiedlicher Dichte zu sortieren. Sie sedimentierenbzw. flotieren in der Flüssigkeit und werden durch eine speziell

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Abb. 3: Lernen von der Natur

Abb. 5: Dekantierzentrifugen Abb. 5: Dekantierzentrifugen

Abb. 4: Systemwechsel beim Erreichen von Begrenzungen


konfigurierte Transportschnecke amjeweils entgegengesetzten Ende desDekanters ausgetragen. Eine weitere kon-struktive Variante erlaubt es, einenFeststoff und zwei nicht mischbare Fluide,wie etwa Öl und Wasser, voneinander zutrennen. Es existieren zahlreiche weitereSpezialkonstruktionen zur Partikel klassie -rung, zur Extraktion, zur intensivenPartikel waschung u.a. Die Dekantier -zentrifuge stellt also ein leistungsfähigesBasisprinzip dar, welches in unterschied-lichen Varianten für sehr unterschiedlicheTrenn aufgaben eingesetzt werden kann.Der maximale Zentrifugalwert (Froude-Zahl) für Dekanter liegt bei etwa 8000.Versuche in der Vergangenheit, diesenWert auf über 10000 zu steigern, warenwegen nicht beherrschbarer dynamischerProbleme nicht erfolgreich. Dies führtwieder zurück auf das in Abb. 4 erläutertePrinzip der Notwendigkeit eines System -wechsels, wenn Grenzen erreicht werden.Im hier vorliegenden Fall wäre der Über-gang zu einem Tellerseparator mitZentrifugalwerten bis etwa 15000 einegeeignete Alternative /3/. Wenn man sichden Feststoffaustrag des Sedikanters (vgl.Abb. 5) noch einmal näher betrachtet,dann ist die in Abb. 6 größer herausge-zeichnete Trenn scheibe das entscheidendeElement zur Realisierung des hydraulischunterstützten Schlammaustrages.

Im Rückgriff auf die Methode desDenkens in Analogien zum Auffindenneuer Lösungen kann die Frage gestelltwerden, wofür eine Trennscheibe bei einerÜbertragung dieses Bildes in andere An -wendungsbereiche noch verwendet wer-den könnte. In Abb. 6 werden hierfür dreiBeispiele gegeben. Neben der bereitsdiskutierten Installation zum Schlamm -aus trag in Dekantierzentrifugen kann eineTrenn scheibe in einer mitrotierenden undmit Flüssigkeit (Was ser) gefüllten Kam -mer am Kopf eines Tellersearators einge-setzt werden. Die Trennscheibe steht stillund ist von der rotierenden Flüssigkeitumgeben. Die Zentrifugal kraft hält dieFlüssigkeit in der Kammer fest und manhat eine sog. „hydrohermetische Dich -tung“ realisiert. Eine dritte Anwendung füreine Trennplatte wäre die Trennung vonSink- und Schwimmschlamm in einemstatischen Sedimentationsbecken. Die

geklärte Flüssig keit muss unter derTrennplatte hindurchtauchen, um zurAbflussöffnung zu gelangen. DerSchwimm schlamm ist hierzu nicht in derLage.

3.2 Kontinuierliche Vakuum- und Druck-Trommelfilter

Das erste Vakuum-Trommelfilter wurde1872 patentiert und das Prinzip des konti-nuierlich arbeitenden Dreh filters hat sichim Laufe der Jahrzehnte evolutionär durchVariation, Modifikation und Intensivie -rung weiterentwickelt. Eine Variation derFilterflächen an ordnung, wie Abb. 7 fürTrommel-, Scheiben-, Band- und Plan -filter zeigt, hat großen Einfluss auf dieFiltereigenschaften.

Das Trommelfilter ist die flexibelsteVariante. Das Scheibenfilter bietet dengrößten Durchsatz bei geringsten Kosten.Das Bandfilter ist exzellent für intensive

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Abb. 7: Variation von Vakuum-Drehfiltern


Kuchenwäsche geeignet und das Planfilterkann auch sehr grobe und schnell sedi-mentierende Partikeln verarbeiten.

Wie aus Abb. 8 hervorgeht, sindTrommelfilter hinsichtlich unterschied-licher Möglichkeiten für die Kuchen -abnahme modifiziert worden, was derenEinsatz zur Trennung von Suspensionensehr unterschiedlichen Trennverhaltensermöglicht. Die druckluftunterstützteSchaber abnahme stellt die Standard -modifikation für gut untersättigte, sprödebrechende Filterkuchen dar. Sehr dünne,pastöse und klebrige Filterkuchen lassensich perfekt mittels einer Walze abneh-men, die das feuchte Material von derTrommel übernimmt. Von der Walze

wiederum wird der Kuchen mit einemmeist kammartig gezahnten Messer ent-fernt. Wenn die Suspension dazu neigt, einFiltertuch schnell zu verblocken, muss die-ses intensiv gewaschen werden können.Diese Möglichkeit wird mit einem von derFiltertrommel ablaufenden Tuch geschaf-fen. Wenn schließ lich extrem feinkörnigeund gering konzentrierte Suspensionen zutrennen sind, wäre es naheliegend, einTiefen- oder Querstromfilter bzw. einenTeller separator in Erwägung zu ziehen.Die oft beste Alter native wäre aber einTrommelfilter mit An schwemm schicht(Precoat), was ein wiederum modifiziertesKuchen abnahmesystem erfordert. Dienach jedem Durch lauf der Trommel durch

die Suspension verstopfte oberste Schichtdes Precoats muss durch ein entsprechendnachrückendes scharfes Messer abge-schnitten werden (min. Schichtdicke mod-ernster Filter heute ca. 50 μm).

Nach der Variation und Modifikationdes Prinzips „Trommelfilter“ soll auchdessen Intensivierung als dritte Routeerfolgreicher evolutionärer Entwicklungdiskutiert werden. Der Filtrationsdruckeines Vakuum filters ist durch denDampfdruck der Flüssigkeit begrenzt. Umdiese Begrenzung zu überwinden, ist einSystemwechsel zur Druckerzeugung erfor-derlich (vgl. Abb. 4). In Druckkesselninstallierte Trommelfilter (vgl. Abb. 9)können mit Filterdrücken von bis zu ca. 10bar arbeiten.

Um dieses Prinzip noch weiter zu inten-sivieren, kann hier eine Hybridisierungzwischen mechanischer und thermischerKuchenentfeuchtung realisiert werden /4/.Die Druckluft im Kessel kann durchDampf gleichen Druckes ersetzt werden,der über eine spezielle Dampf haube zuge-führt wird. Der Dampf durchdringt denkalten Filterkuchen in fast ideal kolbenför-miger Weise und verdrängt das Filtrat ausden Poren. Gleichzeitig entsteht etwasKondensat an der kühlen Kuchen ober -fläche, welches ein perfektes Wasch me -dium darstellt. Um maximalen Vorteil ausdiesen Phänomenen zu ziehen, mussteauch die Filterkonstruktion weiter entwik-kelt werden. In jüngerer Zeit wurde hierzudas gesamte Rohrleitungssystem im Filterhydraulisch optimiert und die Filter zellen -

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Abb. 8: Modifizierung der Filterkuchenabnahme bei Trommelfiltern

Abb. 9: Druck- und Dampfdruckfiltration mit Trommelfiltern

Abb. 11: Vakuum-Trommelfilteranlage ohne Vakuum- undFiltratpumpen

Abb. 12: Alternative Prozessketten für die PTA-Produktion (600kt/a)

Abb.10: Vakuum-Trommelfilteranlage und Wasserkraftwerk

Tab.1: Vergleich des konventionellen und des verbesserten PTA-Prozesses


anzahl deutlich vergrößert. Mehr Filter zellen erlauben eine schär-fere Trennung von Mutter- und Waschfiltrat, was in diesem Fallsogar eine effiziente Gegen strom wäsche auch auf einem Trom mel -filter erlaubt.

In Kapitel 3.1 wurde die Methode des Denkens in Analogien zurFindung neuer Lösungen am Beispiel der Trennplatte diskutiert.Nun soll diese Methode im Bereich der Vakuum-Trommelfilterangewendet werden. Wie können etwa die Kräfte, wie sie durchdas fallende Wasser in dem in Abb. 10 wiedergegebenen Was ser -kraftwerk entstehen, zur Verbesserung von Vaku um-Trom mel -filtern eingesetzt werden?

Gemäß Abb. 10 benötigt eine Vaku umfilteranlage im NormalfallPumpen zur Vakuumerzeugung und zur Ausschleusung desFiltrates aus dem System. Wie Abb. 11 zeigt, entsteht ein hydro-statischer Saugzug bzw. ein Siphoneffekt, wenn das Filtrat durchein Rohr abwärts fließen kann. Wenn die Vakuumpumpe eineDruck differenz von 0.8 bar erzeugt, kann das Filtrat aus dem Rohrohne zusätzliche Pumpe herausfließen, wenn die Flüssig keitssäuleim Rohr 8 m hoch wird. Dies ist schon lange Stand der Technikund bekannt unter dem Begriff „barometrischer Fuß“. In dieserKonfiguration ist die Vakuum pumpe aber noch immer erforderlich.

Eine Vision für die Zukunft wäre es, ganz auf Vakuum- undFiltratpumpen verzichten zu können, indem als Filter medium einehydrophile mikroporöse Membran mit einem kapillaren Eintritts -druck von mehr als 0.8 bar (Porengröße <1μm) verwendet wird. Indiesem Fall könnte bei einer Vakuumfiltration kein Gas durch dieMembran dringen /5/. Der Filtrationsdruck würde nun durch denbarometrischen Fuß erzeugt und aufrecht erhalten, weil ja wegender semipermeablen Membran kein Gas nachströmen und dieFlüssigkeitssäule unterbrechen kann. Hier wird das Prinzip derwasserundurchlässigen Regenjacke (Analogie!) umgedreht.

Die evolutionäre Weiterentwicklung eines Basis prin zips bein-haltet in jedem Fall auch den selektiven Aspekt. Ein neuer Prozesshat nur dann eine nachhaltige Chance am Markt, wenn er Vorteilegegenüber dem Stand der Technik aufweist. In Abb. 12 ist exem-plarisch die Herstellung von Polyterephtalsäure (PTA) dargestellt.

Im konventionellen Prozess sind vier Prozessstufen zwischenReaktor und Trockner notwendig, um das Produkt abzutrennen undzu reinigen. Dieser komplexe Prozess kann durch einen einstufigenProzess mit zwei hoch effizienten Druck-Trommelfiltern stark ver-einfacht und verbessert werden. Tabelle 1 vergleicht beideProzessvarianten unter verschiedenen Aspekten.

3.3 Diskontinuierliche Filterpressen

Als drittes Beispiel für evolutionäre Apparate ent wick lungbehandelt Filter pres sen. Das erste Patent für eine Filterpressewurde im Jahre 1834 erteilt (Riedel, 1864). Abb. 13 zeigt einehistorische Filter presse aus dem Jahr 1900, deren Filter plattennoch aus Holz gefertigt waren.

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Abb. 13: Historische Filterpresse


Entsprechend Abb. 14 sind die Filter -pres sen im Laufe der Zeit von derRahmen- über die Kammer- hin zurMembranfilterpresse immer weiter verbes-sert worden.

Die Rahmenfilterpresse weist eine ein-fache Konstruk tion auf, doch besteht einerihrer Schwachpunkte in einem aufwändi-gen Kuchenaustrag. Der Kuchen ist imRahmen fixiert und muss zum Austrag ausdiesem herausgebrochen werden. Vorteil -hafter ist in dieser Hinsicht die modernereKammerfilterpresse. Die Filterplatten bil-den durch ihre Form die Kammern selbstund wenn die Presse geöffnet wird, solltendie Filterkuchen schwerkraftunterstütztaus den Kammern herausfallen. EineSchwäche dieses Konzeptes besteht darin,dass die Filterkuchenstruktur, insbesonde-re bei sehr großen Pressen mit Platten -größen von 2.5 m x 2.5 m, sehr inhomogenist. Dies führt zu ineffektiver Kuchen -waschung und relativ hohen Restfeuchte -werten. Weiterhin werden Filterkuchenvon mehreren cm Dicke benötigt, um einegenügend hohe Kuchenmasse für denKuchenaustrag zu erhalten. Dies führt zu

sehr hohen Filtrationszeiten von oftmalsvielen Stunden. In Rahmen- und Kammer -filterpressen gibt es weiterhin keineMöglichkeit für einen trockenen Kuchen -austrag, wenn die Suspensionszufuhr wäh-rend der Kuchen bildung ausfällt. Ein Teildes Kammervolumens wird dann suspen-sionsgefüllt bleiben. Fortschritt untervieler lei Gesichtspunkten brachte dieEntwicklung der Mem bran filterpresse.Nun konnte der Filter kuchen durch eineflächig auf den Filterkuchen pressbareGummihaut sehr homogen ausgepresstwerden. Dies führt im Vergleich zurKammerfilterpresse deutlich verbessertenWascher gebnissen und verringerterKuchen rest feuchte. Weiterhin kann injedem Fall der Austrag von Suspensionaus der Presse vermieden werden. DasProblem des nicht garantierbaren komplet-ten Kuchen austrages und die Notwendig -keit dicker Filterkuchen wird aber nochnicht gelöst. Um auch diese Schwach -punkte zu überwinden, wurde die in Abb.15 dargestellte vertikale Mem bran filter -presse entwickelt. Zum Kuchenaustragöffnet sich das Plattenpaket, das endlos

umlaufende Filtertuch wird um einePlattenlänge bewegt und die Kuchen wer-den aus den Kammern ausgetragen. Beider scharfen Umlenkung des Tuches umdie Führungs walzen lösen sich die kohäsi-ven Kuchen ab. Ein zusätzlicher Schaberan den Walzen sorgt für absolut sicherenKuchen austrag. Homogenes Auspressendes Filter kuchens, ideale Verteilung derWasch flüssigkeit auf dem Kuchen, dieMöglichkeit zur Bildung relativ dünnerFilterkuchen und der garantiert vollständi-ge Kuchenaustrag sind Charakteristikadieser Konfiguration.

Ein weiterer Entwicklungsast der Filter -pressen ist gemäß Abb. 16 die Hybridisie -rung von mechanischer und thermischerEnt feuchtung in Form der sog. „heißenFilterpresse“ /6/

Das Prinzip ähnelt demjenigen derschon in Kapitel 3.2 behandelten Dampf -druckfiltration mit Drehfiltern. Nach derKuchen bildung und der Kuchenkonsoli -die rung durch Auspressen wird hier eineheiße Flüssigkeit durch speziell konstru-ierte Heizplatten geleitet, um den Kuchenzu erhitzen. Gleichzeitig wird an dieFiltrat auslässe Vakuum angelegt, unddurch die Überschreitung des Dampf -druckes der Flüssigkeit wird eine thermi-sche Trocknung des Filterkuchens einge-leitet.

Eine Vision zur hocheffizientenTrennung extrem schwer filtrierbarerSuspen sionen macht einen erneutenSystemwechsel von einem diskontinuier-lich arbeitenden Pressfilter zurück zueinem Druckdrehfilter erforderlich. ImUnterschied zur bisher diskutierten Druck-Drehfiltration müsste nun der Prozessgemäß der schematischen Darstellung inAbb. 17 modifiziert werden. Wegen des zuerwartenden sehr hohen Filterkuchen -widerstandes werden nur sehr dünnePartikelschichten von weniger als 1mmDicke entstehen, die wegen sehr hoherkapillarer Eintrittsdrücke nicht untersättigtund daher pastös sein werden.

Herausforderungen für die Realisierungeines solchen Prozesses werden die Suchenach einem geeigneten Membran filter -medium (vgl. Abb. 11) und einer geeigne-ten Methode zur Kuchenabnahme sein.

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Abb. 14: Grundprinzip der Rahmen-, Kammer- und Membranfilterpresse

Abb. 15: Vollautomatische vertikale Membranfilterpresse

Abb. 16: Heiße Filterpresse Abb. 17: Kontinuierliche Dünnschicht-Druckfiltration


Inzwischen können ausgewählte Herstellervon Filtermedien bereits vielversprechen-de neue Produkte anbieten, die für einenderartigen Einsatz geeignet sein könnten.Für den Kuchenaustrag könnte eventuelleine spezielle Walzenabnahme zum Erfolgführen. Theoretische Berechnungen aufder Basis experimenteller Daten haben beivergleichbaren Randbedingungen für daskontinuierliche Druckfilter einen 20-40mal höheren spez. Durchsatz gegenüberder diskontinuierlichen Filterpresse erge-ben /7/.

4. ZusammenfassungEs konnte an mehreren Beispielen

gezeigt werden, dass der technischeFortschritt im Bereich der Trenntechnikunter verschiedenen Gesichtspunkten mitder evolutionären Entwicklung in derNatur verglichen werden kann. Mutationund Selektion stellen Mechanismen dar,die nicht nur in einem biologischen, son-dern auch in einem technischen Kontextbeobachtet werden können. TreibendeKräfte für neue Entwicklungen sind realeBedürfnisse nicht oder nicht befriedigendgelöste Probleme zu überwinden. DerEntwicklungsprozess kann neben solidemFachwissen und modernen Rechen- undSimulationswerkzeugen insbesondere durchKreativität und Fantasie beschleunigt wer-den. Die Methode des Denkens inAnalogien, bei der Bilder in andereZusammenhänge übertragen werden, stellteine sehr wirkungsvolle Methode zur Fin -dung neuer Lösungen dar. Der Bedarf anneuen und verbesserten Problem lösungenist für die Trenntechnik nach wie vor untervielen Gesichtspunkten gegeben. Dieskann die Produktreinheit, -restfeuchte oder-selektivität, die Erhaltung von empfind-lichen Produktstrukturen, Aspekte derEnergieeffizienz, die Prozessintegration,ganz neue Anwendungen u.a. betreffen.

Literatur/1/ Anlauf, H.; Mechanische Fest/Flüssig-Trennung imWan del der Zeit; Chemie Ingenieur Technik CIT; 2003; 75;No.10, 1460-1463; DOI: 10.1002/cite.200303283/2/ Stahl, W.; Industriezentrifugen Band II; 2004; DrMPress, Männedorf, Switzerland; ISBN 3-9522794-0-4;392-396/3/ Kopf,M.¸ Hamatschek, J.¸ Hegnauer, B.: Die Zentrifugenheute und morgen: größer, effizienter, spezifischer; Welt-Handbuch der Filtrations- u. Separationsindustrie; 2008;VDL-Verlag, Rödermark, Germany; ISBN 978-3-00-024080-5; 167-172/4/ Bott, R.; Continuous steam pressure filtration of massmineral products; AT/Mineral Processing; 2002; 43 (3); 19-30/5/ Anlauf, H.; Recent Developments in Research and Machinery of Solid-Liquid-Separation Technology;Drying Tech nology; 2006; 24; 123-5-1241;DOI:10.1080/07373930600838066/6/ Anlauf, H.; Fest/Flüssig-Trennung auf der ACHEMA –ACHEMA Berichte; Chemie Ingenieur Technik CIT; 2009;81; No.9, 1350-1357/7/ Anlauf, H.; Kuchenfiltration jenseits der Möglichkeitenheutiger Pressfilter – kontinuierliche Dünnsschicht filtra tion; Welt-Handbuch der Filtrations- u. Separations in dustrie;2010; VDL-Verlag, Rödermark, Germany; ISBN 978-3-00-029751-9; 142-148

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