Rückspülfilter Optimierte Rückspüleffizienz erschließt neue Applikationen

Autor / Redakteur: Stefan Strasser / Dr. Jörg Kempf

Eine Neuentwicklung verbessert bei der Rückspülfiltration das Verhältnis der Filtratmenge zur Rückspülmenge erheblich. Als Folge davon erhöht sich zum einen die Wirtschaftlichkeit (Fluidkosten, Pumpenergie), zum anderen erschließen sich gänzlich neue Einsatzgebiete, die bisher aufwändigeren und kostspieligeren Technologien vorbehalten waren (z.B. Flockung mit Sedimentation, Anschwemmfiltration, Querstromfiltration).

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Diese Pilotanlage filtert in einem Zellstoffwerk Flusswasser.
Diese Pilotanlage filtert in einem Zellstoffwerk Flusswasser.
( Bild: Lenzing )

Lenzing Technik ist mit ihrer Produktsparte ‚Filtration und Separation‘ bei Rückspülfiltern für hochviskose Lösungen seit Jahren Marktführer. Weit über 1000 installierte Einheiten der Typen KKF, AKF und RKF zielen ab auf eine möglichst effiziente Eindickung eines großen hochviskosen Flüssigkeitsstromes (meist eine Spinnlösung in der Kunstfaserindustrie) mit einer mäßigen bis hohen Partikelfracht in einen möglichst kleinen Teilstrom mit sehr hoher Partikelkonzentration und einen möglichst großen und sauberen Filtratstrom (siehe Abb. 1).

Schlüsselfaktor für den Prozess ist die Effizienz der Eindickung, da bei solchen hochviskosen Lösungen der Konzentratstrom (Rejekt) aus Kostengründen zwingend wieder aufbereitet und dem Hauptprozess zugeführt werden muss. Die Kosten der Aufbereitung steigen mit der Rejekt-Menge enorm an. Eben diese Effizienz führte dazu, dass sich das Lenzing-System kurz nach seiner Einführung gegen zwei konkurrierende Entwicklungen durchsetzen konnte; beide wurden mittlerweile vom Markt genommen.

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Einsatz bei niedrig viskosen Medien

Mehrere Jahre lang konzentrierte sich Lenzing bei diesen Rückspülfiltern auf die Weiterentwicklung für unterschiedlichste Applikationen im Bereich viskoser und hochviskoser Medien.

Das System wurde erstmals anlässlich der Achema 2006 auch einer breiteren Öffentlichkeit präsentiert. Ziel war es, eine Einschätzung darüber zu erhalten, ob es auch außerhalb des Nischenmarktes ‚hochviskose Medien‘ Bedarf an derart optimierten Systemen bei Wasser oder sonstigen niedrig viskosen Medien gibt. Das Feedback war derart positiv, dass Lenzing Technik seither mit Nachdruck an der Entwicklung des RWF-Filters gearbeitet hat. Seit Beginn 2008 steht nun dieses Filtersystem, angepasst an die strömungstechnischen Voraussetzungen von niedrig viskosen Flüssigkeiten (ähnlich Wasser), dem Markt zur Verfügung.

Vergleich der verfügbaren Filtersysteme

Rückspülmengen beim System Saugdüsen-Rückspülfilter

Der große Abstand der Saugdüsen zum Filtergewebe führt zu Bypass-Strömen, d.h. zu unnötigen Rückspülwasserverlusten, die nicht an der Abreinigung des Filtermaterials beteiligt sind (Abb. 2). Der Abstand ist jedoch erforderlich, um eventuell im Medium vorhandenen größeren Partikeln den Weg in die Saugdüse zu ermöglichen: der Abstand von der Saugdüse zum Filtermedium muss gleich bis größer sein als der Radius des größten Partikels. Ansonsten würden sich größere Partikel im Unfiltrat-Raum ansammeln und könnten nie ausgetragen werden. Die höheren Rückspülwasserverluste führen dazu, dass solche Filter bei höheren Schmutzkonzentrationen mehr Spülwasser benötigen als Filtrat zur Verfügung steht (Filter läuft sich ‚tot‘).

Rückspülmengen beim System Kerzenrückspülfilter

Das ungünstigste Partikel (1) durchläuft während des Rückspülens die gesamte Länge des Filterelements, bevor es aus dem Filterelement entfernt ist und der RSP-Mechanismus zum nächsten Element rotieren kann (Abb. 3). Während der dafür nötigen Zeit fließt Filtrat durch das gesamte Filterelement ab, also auch im Bereich des günstigsten Partikels (2), das längst das Filterelement in Richtung Rejekt-Ausgang verlassen hat. Daraus resultieren (bei kompletter Abreinigung der Kerzen) große Rückspülwassermengen, um alle Partikel restlos zu entfernen. In der Praxis wird häufig nur ein Teil der Kerzen abgereinigt. Der Großteil bleibt verschmutzt. Somit müssen derartige Filter bei höheren Schmutzbelastungen stark überdimensioniert werden, wobei nur ein kleiner Teil der Filterfläche genutzt werden kann.

Rückspülmengen beim RWF-Filter

Beim patentierten Lenzing-Filter wird der Unfiltrat-Raum gegenüber dem Rejekt-Raum mithilfe eines angedrückten Gleitteiles abgedichtet (Abb. 4). Das verhindert Bypass-Ströme. Der gesamte Rejekt-Strom gelangt bei der Rückspülung entgegen der Filtrationsrichtung durch das Filtermaterial hindurch und hat damit auch Anteil an dessen Abreinigung (siehe Saugdüsensystem).

Der längste Weg, den ein Partikel zurücklegen muss, bis es aus dem System in den Rejekt-Raum ausgeschleust wird beträgt nur etwa 5 mm (Wanddicke des gelochten Stützkörpers). Dadurch fällt deutlich weniger Rejekt an (siehe Kerzenrückspülfilter).

Hochleistungsgewebe versus Spaltsieb

Beim RWF-Filter kommt in den meisten Fällen ein spezielles Hochleistungsgewebe (Abb. 5) zum Einsatz. Abb. 6 zeigt die Unterschiede des Hochleistungsgewebes mit einer 50 µm Maschenweite im Vergleich zu einem 50 µm Spaltsieb, wie dies in Kerzenrückspülfiltern verwendet wird. Beide Filtermedien sind bis zur Grenze ihrer Aufnahmefähigkeit mit (theoretischen) runden Partikeln mit einem Durchmesser von 60 µm beladen. Ein Kuchenaufbau mittels Partikeln wurde hier nicht betrachtet, da in diesem Falle die Durchsatzmenge eines derartigen Filters von mehreren 100 m³/(h m²) auf 5 bis 10 m³/(h m²) absinken und ein Rückspülfilter in jedem Fall unwirtschaftlich machen würde. Wir betrachten hier demnach nur die reine Oberflächen (Sieb)-Filtration. Die Gegenüberstellung zeigt, dass jeder Quadratzentimeter des Hochleistungsgewebes mit 18 610 Partikeln belegt werden kann – im Vergleich zu den 1660 Partikeln beim Spaltsieb also mehr als das 10-fache.

Bei Spaltsieben wird das Verhältnis der freien Filterfläche (Möglichkeit zur Aufnahme von Partikeln) zur Stützfläche (Drahtprofil) mit zunehmender Filterfeinheit überproportional schlechter. Dieses Verhältnis ist bei sehr großen Spaltweiten günstiger; das Spaltsieb an sich ist kein schlechtes Filtermedium.

Die Hochleistungsgewebe sind bis 20 µm Spaltweite verfügbar. Darunter werden andere Gewebearten oder auch Metallfaservliese verwendet. Insgesamt deckt der RWF-Filter ein Spektrum bis 3 µm ab; natürlich werden solche Gewebe mit zunehmender Filterfeinheit immer teurer.

Hoher Eindickungsfaktor im RWF-Filter

Aus der höheren Feststoffbeladung des Filtermaterials im Vergleich zum Spaltsieb (Faktor 11,2 bei 50 µm) ist auch der Umkehrschluss zulässig, dass – bei der gleichen installierten Filterfläche – auch 11,2-mal seltener zurückgespült werden muss.

Aus der Apparategeometrie im Vergleich zum Kerzenfilter kann (abhängig von Kerzenlänge und -durchmesser) eine weitere Reduktion der Rückspülmenge um das 5- bis 10fache errechnet werden.

Zusammenfassend kann daher unter günstigsten Bedingungen mit nur einem Prozent der Rejekt-Menge eines Kerzenrückspülfilters mit gleicher Spaltweite gerechnet werden; aktuell laufen Praxisversuche mit Testsuspensionen.

Die vergleichbaren Rejekt-Mengen beim Saugdüsenfilter sind theoretisch weniger einfach herzuleiten. Es ist aber der Ansatz zulässig, dass – gleichgültig, welches Gewebe verwendet wird – die Menge an Fluid, die unter bestimmten Differenzdrücken durch ein Gewebe fließt (auch in Rückspülrichtung), mit zunehmender Filterfeinheit exponentiell abnimmt. Andererseits bleibt geometriebedingt die Menge an Fluid gleich, die durch den in Abb. 2 dargestellten Düsenabstand unwirksam in die Düse abfließt. Daher kann auch bei diesem System bei Feinheiten kleiner 50 µm durchaus mit ähnlichen Rejekt-Mengen wie beim Kerzenrückspülfilter gerechnet werden.

Praxiseinsatz seit einem Jahr in einem Zellstoffwerk

Seit Frühling vergangenen Jahres läuft der erste RWF-Produktionsfilter ohne Unterbrechung; er filtert am Einlauf eines Zellstoffwerkes im Salzkammergut das Flusswasser aus der Ager. Der Filter ist mit einem Hochleistungsgewebe mit einer Spaltweite von 30 µm ausgerüstet. Die Rejekt-Menge schwankt in Abhängigkeit der Schmutzfracht, betrug aber in der gesamten Periode nie mehr als 0,45 Prozent der Gesamtmenge Filtrat.

Zuvor wurden Filtergewebe mit 20 µm und 10 µm mit noch geringeren Rejekt-Mengen getestet; allerdings nicht über einen ausreichend langen Zeitraum, um auch Perioden hoher Schmutzfrachten durch starken Regen abzudecken.

Sowohl Kerzenrückspülfilter als auch Saugdüsenfilter werden (von namhaften Herstellern) bei Flusswasser üblicherweise nicht unter 200 µm angeboten, da sich bei feineren Sieben die Filter in Regenzeiten ‚totlaufen‘ (d.h. die Rejekt-Menge erreicht Werte der Zulaufmenge, somit steht kein Filtrat mehr zur Verfügung). Feinere Spaltweiten im Bereich 30 µm und kleiner sind allerdings erforderlich, um beispielsweise Muschellarven zu entfernen, die in Rohrleitungen wachsen und Kühlkreisläufe blockieren.

Weitere Applikationen (beispielsweise in Stahlwerken, im industriellen Abwasserbereich, bei unterschiedlichsten Prozessflüssigkeiten) sind noch zu ermitteln; dies gilt insbesondere für Einsätze, wo die beschriebenen konkurrierenden Systeme bereits gescheitert sind. Lenzing Technik sucht hierzu Kooperationspartner mit Branchen-Know-how.

Der Autor ist Mitarbeiter der Lenzing Technik GmbH, Lenzing, Österreich.

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