Die Lenzing Filtration bietet effiziente Rückspülfiltersysteme für niedrig- bis hochviskose Flüssigkeiten (namentlich die Systeme OptiFil und ViscoFil) an. Diese beiden Filter zeichnen sich in ihren jeweiligen Anwendungen durch die Möglichkeit aus, sehr feiner zu filtrieren. Die Grenzen sind hier bei 3µm absolut sowie bei ca. 0,5 % Feststoff (in Abhängigkeit der tatsächlichen Anwendung sogar gröber). Für noch feinerer Filtrationssysteme (bis in den Submikronbereich) sowie noch höherer Feststoffkonzentrationen im Zulauf, wurde das Angebot um ein System zur Anschwemm- bzw. kuchenbildenden Filtration erweitert – die CakeFil-Technologie erweitert.

Alternative Filtrationstechnologien

Vertikale Plattenfilter, obwohl in einigen Branchen, wie der Extraktion und Reinigung von Speiseölen weit verbreitet, bieten für die von Lenzing Filtration bedienten Prozesse keine zufriedenstellenden Ergebnisse, weil diese, aufgrund der flachen Bauweise der Elemente, nicht effektiv rückgespült werden können. Die Notwendigkeit von grober Kuchenstützung (≤ 80 µm), lange Erstfiltratzirkulation sowie oftmals die Verwendung einer Grundanschwemmschicht mit grobem Filterhilfsmittel sind die Folge.

Horizontale Platten Filter oder auch Tellerdruckfilter mit rotierender Kuchenabreinigung wurden in der Vergangenheit in vielen chemischen Prozessen verwendet und fanden speziell in den 70iger und 80iger-Jahren weite Verbreitung. Aufgrund ähnlicher Problematik wie bei Plattenfiltern und zusätzlich negativen Betriebserfahrungen mit bewegten Teilen im Filter wurde das System ausgeschlossen. Vertikale Kerzenfilter bestehend aus einer runden Stützstruktur, bespannt mit einem gewebten Filtermaterial (= Filterschlauch) auf der Außenseite, erscheinen am vielversprechendsten, da die Filterschläuche zurückgespült und somit auch Partikel aus den Poren des Gewebes entfernt werden können.

Die Möglichkeit der Rückspülung und das Fehlen von bewegten Teilen im Filter führte dazu, dass in den letzten drei Jahrzehnten Kerzenfilter in vielen Bereichen Tellerdruckfilter abgelösten haben. In vielen Gesprächen mit Produktions- bzw. Wartungspersonal von Betreibern wurde jedoch deutlich, dass auch bei diesen Filtern die Filterschläuche oft eine begrenzte Lebensdauer haben und teils häufig chemisch gereinigt bzw. einem Filterschlauchwechsel unterzogen werden müssen.  Grund genug, den Details solcher Filter nachzugehen, um zu erfahren, ob eine Leistungssteigerung erreicht werden kann.

Erste Pilotversuche

Um die Vorgänge bei der Rückspülung zu verstehen, und verschiedene marktübliche Filterkerzen mit einer eigens entwickelten Variante zu vergleichen, baute Lenzing Filtration eine Pilotanlage für eine Filterkerze in Produktionslänge (2.500 mm) mit einem Druckbehälter aus Glas. Die folgenden Bilder zeigen den unteren Abschnitt mit einem Filterkuchen auf der Filterkerze (Bild links) und den oberen Abschnitt ohne Filterkuchen (Bild rechts).

Getestet wurde mittels einer Mischung aus Wasser und Filterhilfsmittel (feines Perlitpulver). Es wurden drei verschiedene Kerzensysteme geprüft. Die Rückspülung erfolgte in allen drei Fällen durch Filtrat, welches mittels Druckluft von der Innenseite durch das Filtertuch gedrückt wurde und mit anschließender Unterstützung der Rückspülung durch nachströmende Luft.

Ausführung A

Runde Kerze mit einer perforierten Stützstruktur aus Kunststoff. Die Kerze ist unten geschlossen und oben offen. Die offene Oberseite wird mit einem Filtratraum über eine gelochte Platte verbunden. Die Rückspülung erfolgt über Einleitung von Filtrat oder Druckluft an der oben offenen Seite der Kerze. Dies ist die einfachste bekannte Ausführung einer rückspülbaren Filterkerze.

Ausführung B

Eine Filterkerze mit sechs perforierten Außenrohren und einem nicht perforierten Innenrohr, wobei die äußeren Rohre mit dem Innenrohr nur an der Unterseite verbunden sind. Bei dieser Ausführung wird sowohl das gesamte Filtrat während der Filtration, also auch das gesamte Filtrat bzw. die gesamte Druckluft während der Rückspülung über das untere Ende der Filterkerze geführt. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass die hohen Turbulenzen der Druckluft-Rückspülung nach unten geführt werden, und sich dadurch von unten nach oben über die gesamte Länge der Filterkerze ausbreiten können.

Ausführung C

Diese jüngst patentierte Ausführung einer Filterkerze für das System CakeFil besitzt einen Stützkörper, der nach außen hin vollkommen offen ist. Anstatt einer perforierten Oberfläche besitzt diese axial verlaufende Stege, die das Filtertuch stützen. Auf diese Weise entstehen Kammern, die das Filtrat nach unten ableiten und über ein zentrales nicht perforiertes Rohr in Richtung Filtratkammer (ähnlich Ausführung B) abfließen.

Eine Nachbetrachtung von Zeitraffer-Videos zeigte folgendes Bild:

Bei allen drei Kerzen konnte der Filterkuchen abgeworfen werden. Ausführung A zeigte sehr hohe Turbulenzen im oberen Bereich, die unteren 80% der Filterfläche zeigten keinerlei Rückspülung, jedoch rutschte der Filterkuchen entlang der Oberfläche des Schlauches nach unten und konnte somit gemeinsam mit der im Filter befindlichen Suspension ausgetragen werden.

Ausführungen B und C zeigten auch im unteren Bereich hohe Turbulenzen, die auf eine echte Rückspülung hinwiesen, subjektiv mit leicht weniger Intensität im oberen Bereich der Kerze bei Ausführung B.

Solide Rückschlüsse auf Standzeit und Unterschiede in der Leistung der Filterkerzen konnten nicht getroffen werden, insbesondere da der Aufbau eines gleichmäßigen Filterkuchens mit allen drei Ausführungen gelang.

Langzeitversuche zur Rückspüleffizienz

Um Unterschiede in der Rückspüleffizienz nachzuweisen, wurde eine Calciumcarbonat-Aufschlämmung in Wasser mit einer Konzentration von 3 Gew.-% angesetzt. Mit dieser wurden mit allen drei Kerzen-Ausführungen jeweils 85 Zyklen aus Kuchenbildung und Rückspülung durgeführt und im Anschluss mit Wasser gespült. Das Filtertuch wurde anschließend in eine definierte Menge Schwefelsäure getaucht, um das in den Poren verbliebenes Calciumcarbonat zu lösen. Schließlich wurde die Menge an Calciumcarbonat in der Schwefelsäure chromatographisch gemessen und in Gramm pro Quadratmeter Filterfläche umgerechnet.

Niedriger Widerstand gegen Durchströmung

Ausführung A enthielt nach 85 Rückspülungen 96 g/m² an Calicumcarbonat-Partikel in seinen Poren. Ausführung B bei gleichen Bedingungen immer noch überraschend hohe 67 g/m², während Ausführung C nur 22 g/m² enthielt. Diese Unterschiede erklären sich durch den besonders niedrigen Widerstand gegen Durchströmung während der Rückspülung aufgrund der patentierten Stützkonstruktion der neuartigen CakeFil Filterkerze.

Durch die beschriebenen Versuche konnte somit nachgewiesen werden, dass mit der Entwicklung der neuen CakeFil-Kerze ein System zur Verfügung steht, dass den Stand der Technik in Bezug auf Effizienz zur Entfernung von Partikeln aus den Poren des Filtermaterials übertrifft. Gleichzeitig ist die Herstellung kostengünstiger im Vergleich zu anderen kuchenbildenden oder Anschwemmfiltrationstechnologien sowie ein häufiger Filtertuchwechsel für die meisten Prozesse obsolet. Einsetzbar ist die CakeFil-Technologie in einer Vielzahl an Industrien, darunter die chemische Industrie oder auch bei Prozessen in der Zuckerverarbeitung.

Autor: Stefan Strasser, Product Manager automatische Filtration, Lenzing Filtration, Lenzing AG