Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung eines Aufbereitungsprozesses zur Gewinnung von Bitumen aus kanadischem Athabasca Ölsand, der im Tagebau gewonnen wurde. Es wird ein mechanisch-thermisches Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt. Dabei handelt es sich um vier Schritte: (1) Suspendierung des Ölsandes mit den organischen Lösungsmitteln, Toluol und n-Heptan, (2) Filterkuchenbildung, (3) Waschung des Filterkuchens mit Wechsel der Waschflüssigkeiten (gradierte Waschung) und (4) Dampfbeaufschlagung. Der Prozess stellt eine Alternative zur herkömmlichen Heißwasser-extraktion des Ölsandes dar. Die Nachteile der Heißwasserextraktion sind ökologische Probleme, ein hoher Energie- und Frischwasserbedarf. Die Ziele des Alternativprozesses sind die Minimierung des Wasser- und Energiebedarfs, Vermeidung schädlicher Abfallstoffe sowie die Maximierung der Bitumenausbeute. Als Produkte sollen feststofffreies Bitumen und rückstandsfreier, deponierbarer Feststoff gewonnen werden.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung eines Aufbereitungsprozesses zur Gewinnung von Bitumen aus kanadischem Athabasca Ölsand, der im Tagebau gewonnen wurde. Es wird ein mechanisch-thermisches Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt. Dabei handelt es sich um vier Schritte: (1) Suspendierung des Ölsandes mit den organischen Lösungsmitteln, Toluol und n-Heptan, (2) Filterkuchenbildung, (3) Waschung des Filterkuchens mit Wechsel der Waschflüssigkeiten (gradierte Waschung) und (4) Dampfbeaufschlagung. Der Prozess stellt eine Alternative zur herkömmlichen Heißwasser-extraktion des Ölsandes dar. Die Nachteile der Heißwasserextraktion sind ökologische Probleme, ein hoher Energie- und Frischwasserbedarf. Die Ziele des Alternativprozesses sind die Minimierung des Wasser- und Energiebedarfs, Vermeidung schädlicher Abfallstoffe sowie die Maximierung der Bitumenausbeute. Als Produkte sollen feststofffreies Bitumen und rückstandsfreier, deponierbarer Feststoff gewonnen werden.

The primary purpose of this thesis is to find out the mechanism of cracking formation during filtration as well as improve the dewatering efficiency of Limestone and Vietnam coal. They are both fine materials, which negatively affect the filtration process. Experiments are executed by changing parameters like solid volume fraction of initial suspension, the height of filter cake and the applied pressure difference using the conventional pressure filtration. Permeability ratio is used as the relevance output parameter to quantify the degree of cracking. Otherwise, saturation and residual moisture content on filter cake are also calculated to evaluate the extent of dewatering. Almost the mechanism of cracking is assumpted and proved. Countermeasures are suggested to prevent the probability and degree of cracking on filter cake. Otherwise, steam pressure filtration is applied as a new method allow improve the dewatering efficiency and reduce the cracking.:Contents Abstract iii Acknowledgment v Contents vi List of Figure viii List of Tables xvi List of Symbols xvii Abbreviation xix 1. Background 1 1.1. The Filtration process 1 1.2. Conventional pressure filtration and steam pressure filtration 3 1.3. Filtration theory 6 1.4. Cake deliquoring - immiscible fluid displacement in porous media 16 1.5. Tensile stress between particles 20 1.6. Coal processing/ washing 24 2. Literature review 34 2.1. Cracking on filter cake and the dewatering process with and without cracking 34 2.2. Summary and focus of research 47 3. Material, methods and the result of capillary pressure curve and tensile stress versus saturation 51 3.1. Material used 51 3.1.1. Limestone 51 3.1.2. Vietnam Coal 52 3.2. Conventional filtration rig and steam pressure filtration rig 55 3.2.1. Conventional filtration rig 55 3.2.2. Steam pressure filtration rig 57 3.3. Filtration experimental 58 3.4. Relevant parameter 59 3.5. Analyze technique 65 3.6. Tensile stresses depend on saturation during deliquoring 66 4. The influence of operating parameters on cracks formation in case of limestone 69 4.1. Capillary pressure curve and tensile stress during the filtration in the case of limestone 69 4.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 76 4.2.1. Particle size distribution effect 76 4.2.2. The solid volume fraction of suspension effect 82 4.2.3. Height of filter cake (filter cake deep/ filter cake thickness) effect 92 4.2.4. Pressure difference effect 101 4.3. The difference in the crack formation by using steam pressure filtration 111 4.4. General conclusion 116 5. The influence of operating parameters on cracks formation in the case of Vietnam coal 118 5.1. Capillary pressure curve and tensile stress during filtration in case of Vietnam coal 118 5.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 122 5.2.1. The influence of the solid volume fraction on crack formation and saturation 122 5.2.2. The influence of the height of filter cake on crack formation and saturation 127 5.2.3. The influence of pressure difference on crack formation and saturation 134 5.3. Estimate the efficiency dewatering as well as the crack formation using steam pressure filtration 139 5.4. General conclusion 146 6. Overall conclusion and recommendation 148 6.1. Overall conclusion 148 6.2. Recommendation 150 References 152 Appendices 156 Appendix A: Data from CCWP. 156 Appendix B: Data from the crack formation with various operation parameters using conventional pressure filtration (CPF). 159 Appendix C: Data from steam pressure filtration. 167 Appendix D: Miscellaneous Information. 177

Die Filtration unter aggressiven Einsatzbedingungen, z.B. Einsatz in korrosiven Medien, Abgasfiltration, stellt besondere Anforderungen an das Filtermaterial. Sogenanntes "Liquid Phase Sintered Silicon Carbide" (LPS-SiC) erfüllt die Anforderungen sehr gut. Deshalb bestand das Ziel der Arbeit besteht darin, erstmals aus LPS-SiC asymmetrische keramische Membranen (grobporöses Substrat mit dünner, feinporiger Membran) herzustellen. Als Additivsystem fanden Yttriumoxid und Aluminiumoxid Verwendung. Es wurde Siliciumcarbid der Körnung F1200 auf Substrat der Körnung F500 abgeschieden. Dem Herstellungsverfahren kommt für die Qualität der Membran eine große Bedeutung zu. Daher wurden in dieser Arbeit folgende Beschichtungsmethoden untersucht, um die optimale Methode zu identifizieren: Tauchbeschichtung, elektrophoretische Abscheidung, Druckfiltration und Einsatz von Transfertapes (Transfertapes: Mischung aus Polyacrylatkleber und Pulver). Im Mittelpunkt stand dabei die Druckfiltration. Hierfür wurde eine neue Apparatur konzipiert und aufgebaut. Für die schlickerbasierten Methoden wurde ein wässriges System entwickelt, bei dem auf den Einsatz von organischen Hilfsstoffen verzichtet werden konnte. Die elektrostatische Stabilisierung konnte durch gezieltes Anlösen von Yttriumoxid, Ausfällen von feinskaligem Yttriumhydroxid und Belegung des Siliciumcarbids mit dem Yttriumhydroxid erreicht werden. Die Elektrophorese führte zu keinen befriedigenden Ergebnissen aufgrund des undefinierten spezifischen Widerstandes des Substrats (siehe Dissertation Jan Ihle, Bergakademie Freiberg 2004). Die Druckfiltration erwies sich als das geeignetste Verfahren. Mit ihr konnten ohne Einschränkungen hochwertige Membranen erzeugt werden. Druck und Zeit sind bei gegebenen Feststoffgehalt frei wählbar. Der Druck wurde zwischen 2*10E4 und 1*10E5 Pa variiert. Höherer Druck führte zu feineren Porengrößen (mittlere und maximale Porengröße). Mit der Druckfiltration konnten Membranen ohne makroskopische Defekte erzeugt werden. Sie führte im Vergleich aller Verfahren zu der geringsten Rauhtiefe der Membranen. Die Tauchbeschichtung ließ sich in diesem System nur über den Feststoffgehalt steuern. Membranen aus der Tauchbeschichtung wiesen makroskopische Fehler (große oberflächliche Poren) auf. Die Methode führte hinsichtlich Porengrößen und Rauhtiefe zu den schlechtesten Werten. Die Transfertape-Methode als neuartiger Ansatz erwies sich für das LPS-SiC System als noch nicht ausgereift. Das direkte Bekleben der Substrate war möglich. Hinsichtlich der Membrandicke sind aber Grenzen bei ca. 50 µm gesetzt. Darüber hinaus reißen die Membranen. Es wurden Schwankungen in der Entbinder- und Sinterschwindung verzeichnet. Weiterhin werden große Hohlräume im Substrat nicht von den Transfertapes abgeformt. Beide Effekte erhöhen die Spannungen beim Sintern, so dass bei geringeren Schichtdicken Risse entstehen. / Silicon Carbide (SiC) fulfills many requirements, e.g. a high robustness in terms of corrosion, which makes it a suitable Material for ceramic membranes. The aim of this work was to produce ceramic membranes out of porous liquid phase sintered Silicon Carbide (LPS-SiC). As additives Alumina and Yttria were used. The SiC based on commercial abrasive powders F1200 (Membrane) and F500 (Substrate). Different techniques of membrane formation were applied in order to find the optimum processing procedure: Dip Coating, Electrophoretic Deposition (EPD), Pressure Filtration and the usage of so called Transfer Tapes, a blend of Polyacrylate and ceramic powders). For the slip based methods a water based system was developed without the need of organic additives. A pure electrostatic stabilization was facilitated by solving Yttria with Hydrochloride Acid and precipitation, resulting in the coverage of the SiC particles with finely dispersed Yttria. The EPD was not successful due to a undefined specific resistance of the substrate. The pressure filtration turned out to be the best, most versatile method, leading to defect free membranes with the lowest measured surface roughness. The pressure ranged between 2*10E4 and 1*10E5 Pa. Higher pressure lead to finer pores. The Dip Coating was controlled only by the solids content. Membranes by Dip Coating showed macroscopic defects. As a new concept for ceramic membrane fabrication the Transfer Tapes needed further investigation. The direct gluing on the substrate was possible. The thickness of the membrane was limited to 50 microns in order to keep free of cracks. The Transfer Tapes exhibited pronounced fluctuations in the debinding and sintering shrinkage, leading to increased tension during sintering. Furthermore cavities, (e.g. big pores) were bridged. Both effects lead to increased tension during sintering.

Die Filtration unter aggressiven Einsatzbedingungen, z.B. Einsatz in korrosiven Medien, Abgasfiltration, stellt besondere Anforderungen an das Filtermaterial. Sogenanntes "Liquid Phase Sintered Silicon Carbide" (LPS-SiC) erfüllt die Anforderungen sehr gut. Deshalb bestand das Ziel der Arbeit besteht darin, erstmals aus LPS-SiC asymmetrische keramische Membranen (grobporöses Substrat mit dünner, feinporiger Membran) herzustellen. Als Additivsystem fanden Yttriumoxid und Aluminiumoxid Verwendung. Es wurde Siliciumcarbid der Körnung F1200 auf Substrat der Körnung F500 abgeschieden. Dem Herstellungsverfahren kommt für die Qualität der Membran eine große Bedeutung zu. Daher wurden in dieser Arbeit folgende Beschichtungsmethoden untersucht, um die optimale Methode zu identifizieren: Tauchbeschichtung, elektrophoretische Abscheidung, Druckfiltration und Einsatz von Transfertapes (Transfertapes: Mischung aus Polyacrylatkleber und Pulver). Im Mittelpunkt stand dabei die Druckfiltration. Hierfür wurde eine neue Apparatur konzipiert und aufgebaut. Für die schlickerbasierten Methoden wurde ein wässriges System entwickelt, bei dem auf den Einsatz von organischen Hilfsstoffen verzichtet werden konnte. Die elektrostatische Stabilisierung konnte durch gezieltes Anlösen von Yttriumoxid, Ausfällen von feinskaligem Yttriumhydroxid und Belegung des Siliciumcarbids mit dem Yttriumhydroxid erreicht werden. Die Elektrophorese führte zu keinen befriedigenden Ergebnissen aufgrund des undefinierten spezifischen Widerstandes des Substrats (siehe Dissertation Jan Ihle, Bergakademie Freiberg 2004). Die Druckfiltration erwies sich als das geeignetste Verfahren. Mit ihr konnten ohne Einschränkungen hochwertige Membranen erzeugt werden. Druck und Zeit sind bei gegebenen Feststoffgehalt frei wählbar. Der Druck wurde zwischen 2*10E4 und 1*10E5 Pa variiert. Höherer Druck führte zu feineren Porengrößen (mittlere und maximale Porengröße). Mit der Druckfiltration konnten Membranen ohne makroskopische Defekte erzeugt werden. Sie führte im Vergleich aller Verfahren zu der geringsten Rauhtiefe der Membranen. Die Tauchbeschichtung ließ sich in diesem System nur über den Feststoffgehalt steuern. Membranen aus der Tauchbeschichtung wiesen makroskopische Fehler (große oberflächliche Poren) auf. Die Methode führte hinsichtlich Porengrößen und Rauhtiefe zu den schlechtesten Werten. Die Transfertape-Methode als neuartiger Ansatz erwies sich für das LPS-SiC System als noch nicht ausgereift. Das direkte Bekleben der Substrate war möglich. Hinsichtlich der Membrandicke sind aber Grenzen bei ca. 50 µm gesetzt. Darüber hinaus reißen die Membranen. Es wurden Schwankungen in der Entbinder- und Sinterschwindung verzeichnet. Weiterhin werden große Hohlräume im Substrat nicht von den Transfertapes abgeformt. Beide Effekte erhöhen die Spannungen beim Sintern, so dass bei geringeren Schichtdicken Risse entstehen. / Silicon Carbide (SiC) fulfills many requirements, e.g. a high robustness in terms of corrosion, which makes it a suitable Material for ceramic membranes. The aim of this work was to produce ceramic membranes out of porous liquid phase sintered Silicon Carbide (LPS-SiC). As additives Alumina and Yttria were used. The SiC based on commercial abrasive powders F1200 (Membrane) and F500 (Substrate). Different techniques of membrane formation were applied in order to find the optimum processing procedure: Dip Coating, Electrophoretic Deposition (EPD), Pressure Filtration and the usage of so called Transfer Tapes, a blend of Polyacrylate and ceramic powders). For the slip based methods a water based system was developed without the need of organic additives. A pure electrostatic stabilization was facilitated by solving Yttria with Hydrochloride Acid and precipitation, resulting in the coverage of the SiC particles with finely dispersed Yttria. The EPD was not successful due to a undefined specific resistance of the substrate. The pressure filtration turned out to be the best, most versatile method, leading to defect free membranes with the lowest measured surface roughness. The pressure ranged between 2*10E4 and 1*10E5 Pa. Higher pressure lead to finer pores. The Dip Coating was controlled only by the solids content. Membranes by Dip Coating showed macroscopic defects. As a new concept for ceramic membrane fabrication the Transfer Tapes needed further investigation. The direct gluing on the substrate was possible. The thickness of the membrane was limited to 50 microns in order to keep free of cracks. The Transfer Tapes exhibited pronounced fluctuations in the debinding and sintering shrinkage, leading to increased tension during sintering. Furthermore cavities, (e.g. big pores) were bridged. Both effects lead to increased tension during sintering.