In der Abtrennung von Feststoffen aus Suspensionen kommen in der chemischen und pharmazeutischen Industrie diskontinuierliche Filterzentrifugen zum Einsatz. Bei diesem Zentrifugentyp wird während des Füllvorgangs ein Filterkuchen aufgebaut, der im Anschluss beliebig lange und wiederholt gewaschen und trockengeschleudert werden kann. Typischerweise stehen diskontinuierliche Filterzentrifugen zum Beispiel als Obenentleerzentrifugen, vertikal oder horizontal gelagerte Schälzentrifugen und Stülpfilterzentrifugen zur Verfügung. Mehrere Parameter bestimmen die Durchsatzleistung dieser Zentrifugen. Optimal eingestellt steigern sie deren Leistung. Neben den Produkteigenschaften wie Partikelgröße und Partikelform, Feststoffkonzentration und Dichte des Feststoffes hat auch die richtige Fahrweise der Zentrifuge einen entscheidenden Einfluss auf Durchsatz, Restfeuchte und Waschergebnis. Oft unterschätzen Betreiber allerdings die Auswirkungen der Filterkuchenhöhe. Sie bestimmt jedoch zu einem bedeutenden Teil die Durchsatzleistung der Zentrifuge mit.
Effiziente Betriebsweise durch Parametersetting
Diskontinuierliche Filterzentrifugen arbeiten nach dem klassischen Zyklus von Batch-Prozessen. Zunächst wird die Trommel befüllt und die Suspension auf das rotierende Filtermedium gegeben. Dann erfolgt das Waschen und Trockenschleudern des Filterkuchens. Die Schleuderzeiten, während derer der Filterkuchen von der Mutter- oder Waschlauge durchströmt und danach so trocken wie möglich abgeschleudert wird, bestimmen die Dauer des Filtrationsprozesses. Der wichtigste Betriebsparameter, im Bezug auf die Durchsatzleistung sowie die erzielte Restfeuchte, ist die Filterkuchenhöhe. Oft wird die Filterkuchenhöhe nicht in ausreichendem Maße berücksichtigt oder unterschätzt.
Beginnend mit einfachen Laborversuchen, in der Regel ausgeführt auf einer Nutsche, werden die Produktparameter wie Permeabilität, Kompressibilität, Porosität sowie der Filtrationswiderstand bestimmt. Anhand der gewonnenen Daten erfolgt eine Vorauswahl des geeigneten Zentrifugentyps. Weitere Variablen lassen sich mittels einer Pilotzentrifuge ermitteln. Bedingt durch ihre Bauart ist die Kuchenhöhe bei Pilotzentrifugen limitiert. Daher muss die optimale Kuchenhöhe mithilfe der bestimmten Parameter und Basisinformationen über das Produkt theoretisch bestimmt werden, falls die maximal zulässige Kuchenhöhe der Pilotzentrifuge überschritten werden würde. Die auf der Pilotzentrifuge optimierte Fahrweise wird oftmals eins zu eins auf die Produktionsmaschine übertragen. Das führt teilweise immer noch zu einer suboptimalen Ausnutzung der Zentrifuge, kann aber leicht angepasst werden.
Oft werden unterschiedliche Maschinentypen hinsichtlich der Kuchenhöhe verglichen. Allerdings wird dabei meist die Zykluszeit vernachlässigt. Daraus lässt sich die Schlussfolgerung ableiten, dass die Durchsatzleistung bei einem schwer filtrierbaren Produkt, nach Überschreiten der optimalen Kuchenhöhe zurückgeht. Dies lässt sich auf eine sinkende Permeabilität, eine steigende Kompressibilität sowie eine geringere Porosität der Filterkuchen zurückführen. Mit zunehmender Kuchenhöhe steigt in der Regel die mittlere Restfeuchte des Kuchens. Dies verdeutlicht, dass zudem die Entfeuchtungskinetik eine wichtige Rolle spielt. Durch Massenkräfte leeren sich im Zentrifugalfeld zunächst die großen Kapillare des Filterkuchens. Anschließend strömen die an den Feststoffpartikeln anhaftenden Flüssigkeitsmengen ab.
Dieser zweite Entfeuchtungsvorgang ist zeitabhängig und wird über die Entfeuchtungskennzahl beschrieben. Diese Kennzahl beinhaltet Parameter wie Permeabilität, C-Wert und Filtrationszeit. Vergleicht man zwei unterschiedliche Filtrationszeiten, wird deutlich, wie sich die Filtrationszeit auf die Restfeuchte auswirkt. So steigt etwa bei einer Filtrationszeit von 60 Sekunden die Restfeuchte mit zunehmender Kuchenhöhe deutlich an, während im Falle einer Filtrationszeit von 1.800 Sekunden die Restfeuchte trotz zunehmender Kuchenhöhe nahezu gleich bleibt. Es konnte also ein Gleichgewichtszustand erreicht werden, der jedoch in der industriellen Praxis selten angestrebt wird. Denn dieses Gleichgewicht bewirkt eine deutlich geringere Durchsatzleistung der Zentrifuge. Die geringste Restfeuchte wird bei dünneren Filterkuchen erzielt, die maximale Kapazität bei dickeren Kuchen.
Optimale Filterkuchenhöhe ist produktabhängig
Die Abtrennung grobkörniger Produkte mit hoher Durchlässigkeit und geringer innerer Filterkuchenoberfläche lässt sich also in der Praxis am wirtschaftlichsten mit hohen Kuchenstärken auf volumenfassenden Zentrifugen realisieren. Im Umkehrschluss eignen sich geringe Kuchenhöhen und flächenorientierte, schnell entleerende Zentrifugen am besten für das Abtrennen von feinkörnigen Produkten mit geringer Permeabilität und hoher innerer Filterkuchenoberfläche.
Ein Beispiel aus der Praxis: So wird bei der Abtrennung von 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure bei einer vergleichsweise großen Kuchenhöhe von etwa 30 Millimetern und einer Zykluszeit von 30 Minuten für die Stülpfilterzentrifuge HF 1000 von Heinkel ein Austrag von 100 kg/h erzielt. Bei einer Kuchenhöhe von nur 15 Millimetern bei einer wesentlich kürzeren Zykluszeit von acht Minuten hingegen beläuft sich der Austrag mit 190 kg/h auf fast das Doppelte. Damit wird klar deutlich, dass eine hohe Kuchenhöhe nicht immer gleich mehr Durchsatz bedeutet. Im genannten Beispiel ist wie gezeigt gerade ein flacher Kuchen besser als ein hoher, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
Bei der Wahl des richtigen Zentrifugentyps gilt also: Bei leicht zu filtrierenden Produkten sind große Kuchenhöhen sinnvoll, da die Durchsatzleistung mit zunehmender Kuchenhöhe steigt. Für diese Anwendungen sind große Trommelvolumen sinnvoll, weshalb Obenentleer- oder Schälzentrifugen dafür besonders geeignet sind. Bei mittel bis schwer zu filtrierenden Produkten sollte ein dünnerer Filterkuchen aufgebaut werden, denn die maximale Leistung wird schon bei geringen Kuchenhöhen erreicht. Die bei vertikalen und horizontalen Schälzentrifugen prinzipbedingte Restschicht gilt hier als Grenze. Deshalb ist hier eine restschichtfreie Entleerung der Stülpfilterzentrifuge von Vorteil.
Unabhängig vom Zentrifugentyp ist die Filterkuchenhöhe der wichtigste Parameter, wenn es darum geht, die Leistungsfähigkeit zu optimieren. Betreiber sollten dies in der Praxis für maximale Effizienz ausreichend beachten.
