Filtrationszentrifugen Kriterien bei der Auswahl von Filtrationsapparaten

Redakteur: Dr. Jörg Kempf

Auf der Suche nach einer Lösung für die mechanische Fest-Flüssig-Trennung von Suspensionen findet man eine passende Antwort in Filtrationszentrifugen, da die Trennung im Zentrifugalfeld schnell rotierender Apparate den einfachen vakuum- oder drucküberlagerten Verfahren oft in mehrfacher Hinsicht überlegen ist.

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Abb. 1: Schubzentrifuge (Bild: Bilder: KMPT)
Abb. 1: Schubzentrifuge (Bild: Bilder: KMPT)

Filtrationszentrifugen untergliedern sich in zwei Technologien, kontinuierliche und diskontinuierliche Zentrifugen. Das Trennprinzip ist dabei in beiden Typen gleich: In eine rotierende Trommel wird ein Fest-Flüssiggemisch eingebracht, das durch die Zentrifugalkraft gegen den Trommelmantel gepresst wird. Auf diesem Trommelmantel befindet sich ein Filtrationsmedium, das den Feststoff zurückhält, während das flüssige Filtrat nach außen abgeschleudert wird. Auf diese Weise baut sich auf dem Filtermedium ein Filterkuchen auf, der im Trennprozess verschiedene Phasen durchläuft. Nach dem Kuchenaufbau im Fest-Flüssiggemisch folgt der Zeitpunkt, an dem die Flüssigkeit auf der Kuchenoberfläche komplett in den Kuchen eingetaucht ist. Anschließend wird der zunächst zu 100 Prozent gesättigte Kuchen entfeuchtet.

Bei Bedarf kann zusätzlich eine Kuchenwäsche durchgeführt werden, um Verunreinigungen auszuwaschen. Die zuletzt zurückbleibende Flüssigkeit im Kuchen, die Restfeuchte, ist abhängig sowohl von der aufgebrachten Zentrifugalkraft, von der Kuchenhöhe, der Verweilzeit und den physikalischen Eigenschaften des Produkts. Abschließend wird der Filterkuchen auf unterschiedliche Weise aus der Trommel ausgebracht.

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Im zeitlichen Ablauf dieser Schritte unterscheiden sich die beiden Zentrifugentypen. Während bei den diskontinuierlichen Zentrifugen das Füllen, der Kuchenaufbau, das Trockenschleudern und der Kuchenaustrag zeitlich voneinander getrennt sind, laufen diese Prozessschritte in einer kontinuierlichen Maschine zeitgleich ab.

Die Horizontalschälzentrifuge

In Abb. 5 ist das Funktionsprinzip einer Horizontalschälzentrifuge zu sehen, sie stellt als diskontinuierliche Maschine die chronologisch erste Generation an Zentrifugen dar. Das Produkt wird per Füllrohr eingebracht und nach dem Trockenschleudern mittels eines Messers aus der Trommel ausgeschält.

Als verfahrenstechnische Verfeinerung des Schälzentrifugenprinzips ist die Verwendung eines Rotationssiphons zu sehen (Abb. 4). Hier wird anstelle der Siebtrommel eine Vollmanteltrommel eingesetzt, das Filtrat schlägt dabei nicht den direkten Weg durch Filtermedium und Trommelmantel ein, sondern wird dazwischen in Richtung Trommelrückwand durch Bohrungen in die Siphontasse an der Außenseite der Trommelrückwand geleitet. Durch die unterschiedlichen Flüssigkeitspegel in der Trommel und in der Siphontasse entsteht ein Unterdruck, der den Zentrifugaldruck unterstützt, was zu höheren Filtrationsraten führt.

Ein wesentlicher Vorteil entsteht noch an anderer Stelle. Die Grundschicht aus Feststoff, die nach dem Ausschälen des Produkts als Bodensatz in der Trommel verbleibt, da das Schälmesser nicht mit dem Filtermedium in Kontakt kommen darf, wird mit der Zeit durch sehr feine Partikel verlegt. Die Siphonausführung bietet die Möglichkeit, diese Grundschicht von unten heraus wieder frei zu spülen. Dadurch muss sie nicht wie in der Siebtrommelausführung nach bestimmter Zeit aufwändig entfernt werden, sondern kann wesentlich länger in der Trommel verweilen.

Die Schubzentrifuge

Abb. 2 dagegen zeigt den kontinuierlichen Prozess im Innern einer Schubzentrifuge. Die Füllung erfolgt per Rohr konzentrisch zur Trommelrotationsachse. Das Produkt wird am Trommelboden verteilt, bildet einen Kuchenring am Umfang und wird durch eine oszillierende Bewegung des Schubbodens zum offenen Ende der Trommel verdrängt. Das nachlaufende Produkt ergibt erneut einen Ring der den vorangegangenen Ring wiederum weiter schiebt. So bewegen sich die einzelnen Schubringe entlang des Trommelmantels, bis sie die Trommel und damit das Zentrifugalfeld verlassen.

Betrachtet man die jeweiligen Funktionsprinzipien, fällt schnell ins Auge, dass sich die Maschinen nicht nur in ihrer Arbeitsweise, sondern auch in den Ansprüchen an das Füllgut unterscheiden. Da der Kuchenaufbau bei der Schubzentrifuge binnen Sekundenbruchteilen stattfinden muss, um ein Weiterschieben des Kuchenrings zu ermöglichen, ist eine hohe Filtrationsgeschwindigkeit im Kuchen wie auch im Filtermedium erforderlich. Diese ist generell umso besser, je gröber die Feststoffpartikel sowie das Filtermedium sind. Ist die Flüssigkeitsmenge im Zulauf dagegen gering, sind auch Produkte mit geringeren Filtrationsgeschwindigkeiten verarbeitbar.

Leistungsvergleich

Das erforderliche Verhältnis zwischen Feststoffkonzentration und der Partikelgröße wird in Abb. 6 mit den Arbeitsbereichen der beiden Zentrifugengattungen dargestellt. So wie sich die Anforderungen an das Füllgut unterscheiden, so sind auch die Leistungsdaten der Maschinen voneinander verschieden. Auf der einen Seite bietet die Horizontalschälzentrifuge eine hohe Flexibilität bei schwankenden Zulaufbedingungen. Unterliegt die Fahrweise der gesamten Anlage oder auch nur der vorgeschalteten Apparate gewissen Zyklen, so kann die Fahrweise einfach angepasst werden. Außerdem lässt der in der Trommel statisch verweilende Kuchen eine viel größere Auswahl an Filtermedien zu, vor allem auch viel feinere. Dadurch wird der Feststoffverlust minimiert, was sich nicht nur in der Produktivität der Zentrifuge bemerkbar macht, sondern auch in der Vermeidung von Feststoffen im Filtrat, die im weiteren Anlagenverlauf oft zu Problemen führen können.

Lange Verweilzeiten aufgrund von sehr geringen Korngrößen und dadurch hohen Filtrationswiderständen stellen für die Schälzentrifuge kein Problem dar. Die Chargenzeit kann wiederum flexibel angepasst werden.

Auch wenn für den Einsatz der Schubzentrifuge im direkten Vergleich höhere Anforderungen an das Füllgut wie auch den konstanten Zulauf gestellt werden, so zeichnet sich dieser Maschinentyp durch die hohen Feststoffdurchsatzmengen aus, die der kontinuierliche Betrieb zulässt. Das dadurch erreichte Preis-Leistungsverhältnis hinsichtlich des Feststoffdurchsatzes ist im Bereich der Filtrationszentrifugen kaum schlagbar.

Fallbeispiel

Um den theoretischen Vergleich mit ein paar anschaulichen Zahlen zu füllen, soll ein Fallbeispiel zeigen, welche unterschiedliche Leistungsdaten der beiden Zentrifugentypen bei einer gegebenen Zulaufbedingung erreichbar sind.

Ein klassischer Fall ist die Entwässerung von feinem Natriumbikarbonat. Gegeben ist eine Durchsatzmenge von 14000 kg/h absolut trockenen Feststoffs. Die Zulaufkonzentration des Feststoffs beträgt 15 Gewichtsprozent (%wt), die mittlere Korngröße liegt bei 100 μm. Die erforderliche Restfeuchte soll möglichst gering sein, um den nachgeschalteten Fließbetttrockner zu entlasten.

Die Feinheit des Produktes lässt bei relativ konstanten Zulaufbedingungen prinzipiell beide Maschinentypen zu. Jedoch ist die Schubzentrifuge nicht in der Lage, eine Zulaufkonzentration von 15%wt, also eine Flüssigkeitsmenge von knapp 90000 kg/h zu bewältigen. Um den Leistungsvergleich dennoch zu ermöglichen, soll deswegen ein Paket, bestehend aus Schubzentrifuge und Hydrozyklon gegen die Schälzentrifuge antreten.

Der Hydrozyklon kann den recht schweren Feststoff sehr gut voreindicken, Werte von 50%wt im Unterlauf stellen bei sehr feinem Trennschnitt und damit geringem Feststoffverlust kein großes Problem dar.

Die 14 t/h Feststoff können auf einer SZ 800/2 (siehe Abb. 1), also einer zweistufigen Schubzentrifuge mit 800 mm Trommeldurchmesser gut verarbeitet werden. Der Durchschlag, also der Feststoffverlust im Filtrat dürfte dabei durch das feine Produkt wohl im Bereich von 1 bis 2%wt liegen, bezogen auf den trockenen Durchsatz an Feststoff. Die Restfeuchte, die erzielt werden kann, liegt bei etwa 4,5%wt.

Als weitere Alternative für diesen Anwendungsfall stehen zwei HZ 180/7,1 Si (Abb. 3) zur Verfügung, also zwei Horizontalschälzentrifugen mit 1800 mm Trommeldurchmesser und 7,1 m² Filterfläche, ausgestattet mit einer Siphontrommel. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass durch das feinere Filtermittel und die erneuerbare Grundschicht ein Durchschlag von nur 0,5%wt erreicht werden kann. Durch eine längere Verweilzeit in der Trommel, welche allerdings zu Lasten des stündlichen Feststoffdurchsatzes geht, kann die Restfeuchte nochmals weiter auf etwa 3%wt reduziert werden.

Die Aufteilung der Gesamtleistung auf zwei Maschinen lässt einen quasi-kontinuierlichen Prozess zu, indem immer eine der beiden Maschinen ausschält, während die andere gefüllt wird, bzw. trocken schleudert. Das kommt bei einer Chargenzeit von etwa neun Minuten sicher nicht dem kontinuierlichen Austrag einer Schubzentrifuge gleich, reicht jedoch aus, um den Fliessbetttrockner schonender betreiben zu können.

Die Energie im Blick

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist heutzutage natürlich auch die Energiebetrachtung. Während bei der Schubzentrifuge lediglich eine stündliche elektrische Leistung von etwa 40 kW erbracht werden muss, was ungefähr 3 kW pro Tonne Produkt entspricht, so beläuft sich dieser Wert bei den Schälzentrifugen auf etwa 9 kW/t. Diesen Wert darf man natürlich nicht alleine betrachten, sondern muss auch den höheren Energiebedarf im Trockner durch die höhere Restfeuchtebeladung bei der Schubzentrifuge und den diskontinuierlichen Eintrag bei den Schälzentrifugen berücksichtigen.

Eine gewichtige Rolle spielt auch der Invest der Maschinen. Bedenkt man den Trommeldurchmesser der Schälzentrifugen von zwei mal 1800 mm gegenüber den 800 mm der einzelnen Schubzentrifuge, so ist nachvollziehbar, dass der Faktor selbst bei Berücksichtigung des notwendigen Hydrozyklons zur Voreindickung der Schubzentrifugenfüllung bei etwa 4 bis 5 zu Gunsten der Schubzentrifuge liegt. Auch der Unterschied in der dis- bzw. kontinuierlichen Befüllung der Zentrifuge führt zu Veränderungen in der Anlagenperipherie, was bei dem Vergleich des Invests zu berücksichtigen ist.

Schließlich ist neben dem Invest ist auch der Return on Invest für eine Gesamtbetrachtung der Wirtschaftlichkeit ausschlaggebend. Unmittelbarer Faktor dabei ist die Verfügbarkeit der Anlage, und damit auch die Verfügbarkeit der Zentrifugen.

Bei den beiden Schälzentrifugen besteht bei Wartungsbedarf einer Maschine immerhin noch eine 50-prozentige Anlagenleistung. Bei vorübergehender Reduktion der Trockenschleuderzeit kann auch – eine ausreichende Reserve des Fließbetttrockners ist dabei alledings vorausgesetzt – eine Durchsatzerhöhung der verbleibenden Zentrifuge auf Kosten der Restfeuchte in Kauf genommen werden.

Die Krauss-Maffei Schubzentrifuge dagegen ist mit einer komplett austauschbaren Cartridge ausgestattet, welche alle rotierenden Teile beinhaltet. So kann bei geübtem Personal binnen vier Stunden eine Wiederaufnahme der Produktion nach notwendigen Wartungsarbeiten (z.B. Lagertausch) möglich sein. Dadurch ist eine hohe Anlagenverfügbarkeit gewährleistet, obwohl an dieser Schlüsselstelle lediglich eine Maschine platziert wird.

Fazit

Oft wird die Entscheidung, ob Schälzentrifuge oder Schubzentrifuge durch die Rahmenbedingungen des jeweiligen Produkts vorgegeben. Fallen diese Rahmenbedingungen jedoch in das Fenster, das beide Maschinentypen zulässt, spielen die oben genannten Faktoren eine wichtige Rolle bei der Entscheidungsfindung. Um diese Faktoren richtig zu bewerten, sollte als Lieferant nicht nur ein qualitativ hochwertiger Maschinenbauer zu Rate gezogen werden, sondern vor allem auch ein erfahrener Verfahrenstechniker.

* Der Autor arbeitet im Vertrieb und Produktmanagement "Kontinuierliche Zentrifugen" bei der KMPT AG, Vierkirchen.

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