Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008

Kassel, University, Diss., 2007.

Das maximale Trubaufnahmevermögen eines Filterkuchens ist ein wichtiges Kriterium für die Vorhersagbarkeit der Standzeit des Filters. In Praxisfiltrationen in Brauereien konnte nachgewiesen werden, dass sich die Filtration mit Zellulose als Filterhilfsmittel grundsätzlich in zwei Bereiche unterteilen lässt. Zunächst verläuft der Anstieg der Druckdifferenz linear, geht dann aber zu jeweils versuchsspezifisch unterschiedlichen Zeitpunkten in den exponentiellen Verlauf über, was auf eine Kompaktierung der freien Durchgangskanäle des Filterkuchens zurückzuführen ist. Mehrmalige Regenerationen verbessern die Trübungsreduzierung der Filterhilfsmittelmischung, was durch verminderte Wasserwerte und Darcy-Werte im Labor nachgewiesen werden konnte. Wie bereits aus der Kieselgurfiltration bekannt, sind Standzeit und Trübungsreduzierung der Zellulosefiltration in entscheidendem Maß von der Filtrierbarkeit der Biere abhängig und mit den Werten eines Kieselgurfilters vergleichbar.

Das maximale Trubaufnahmevermögen eines Filterkuchens ist ein wichtiges Kriterium für die Vorhersagbarkeit der Standzeit des Filters. In Praxisfiltrationen in Brauereien konnte nachgewiesen werden, dass sich die Filtration mit Zellulose als Filterhilfsmittel grundsätzlich in zwei Bereiche unterteilen lässt. Zunächst verläuft der Anstieg der Druckdifferenz linear, geht dann aber zu jeweils versuchsspezifisch unterschiedlichen Zeitpunkten in den exponentiellen Verlauf über, was auf eine Kompaktierung der freien Durchgangskanäle des Filterkuchens zurückzuführen ist. Mehrmalige Regenerationen verbessern die Trübungsreduzierung der Filterhilfsmittelmischung, was durch verminderte Wasserwerte und Darcy-Werte im Labor nachgewiesen werden konnte. Wie bereits aus der Kieselgurfiltration bekannt, sind Standzeit und Trübungsreduzierung der Zellulosefiltration in entscheidendem Maß von der Filtrierbarkeit der Biere abhängig und mit den Werten eines Kieselgurfilters vergleichbar.

Die steigende Anzahl an Verfahren, in denen eine Filtration und eine Aufreinigung des gebildeten Filterkuchens durch Waschung notwendig ist, und die Steigerung deren Effizienz und Wirtschaftlichkeit verlangen nach einer Optimierung der Prozesse. Die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der Verdrängungsprozesse zwischen polaren und unpolaren Flüssigkeiten in einem Haufwerk schafft Erkenntnisse, die bei der Auswahl der verwendeten Lösungsmittel/Feststoffkombinationen während des Syntheseweges hilfreich sind. Durch die Verwendung von Silanen als Beschichtung kann die Oberflächeneigenschaft der Partikel variiert werden, während granulometrische Eigenschaften konstant bleiben. So dienen die Partikelsysteme als Basis der Untersuchungen zum Einfluss der Benetzungseigenschaften auf die Waschung unter Ausschluss anderer prozessbestimmender Variablen. Bei der Waschung der Partikelsysteme muss die Bedeutung der sich ausbildenden Phasengrenze herausgestellt werden. Sind Wasch- und Porenflüssigkeit nicht mischbar, bestimmt die auftretende Flüssig/Flüssig-Phasengrenze die Phänomenologie und die Effizienz des Prozesses. Das Auftreten einer Phasengrenze zwischen beiden Flüssigkeiten erlaubt die Aufnahme einer Flüssig/Flüssig-Kapillardruckkurve, die als Grenzkurve die zu erwartenden technischen Waschergebnisse darstellt. So kann eine Aussage darüber getroffen werden, welche Austauschverhältnisse und Restgehalte an Verunreinigung im Kuchen bei der Auswaschung mit nichtmischbaren Flüssigkeiten maximal zu erwarten ist.:ABBILDUNGSVERZEICHNIS SYMBOLVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN 2.1 FILTRATION 2.1.1 Kuchenbildung 2.1.2 Entfeuchtung 2.2 FILTERKUCHENWASCHUNG 2.3 SYSTEMEIGENSCHAFTEN 2.3.1 Feststoffe 2.3.2 Flüssigkeiten 2.3.3 Suspension 2.3.4 Haufwerk- und Kuchenstruktur 2.4 GRENZFLÄCHEN UND BENETZUNG DISPERSER SYSTEME 2.4.1 Oberflächenenergie 2.4.2 Benetzung 2.4.3 Kapillarität 2.5 BENETZUNG UND KAPILLARITÄT IN BEZUG ZUR FILTRATION 2.5.1 Die Kapillardruckkurve 2.5.2 Zusammenspiel von Benetzung und Filtration 2.5.3 Die Umnetzungskurve 2.6 SILANE – AUFBAU UND FUNKTION 3 MATERIALIEN UND METHODEN 3.1 STOFFSYSTEME 3.1.1 Partikelsystem 3.1.2 Flüssigkeiten 3.1.3 Silane 3.2 SILANISIERUNG ZUR VARIATION ZUR BENETZUNG 3.3 FESTSTOFFCHARAKTERISIERUNG 3.3.1 Laserbeugung 3.3.2 Statische Bildanalyse 3.3.3 Rasterelektronenmikroskopie 3.3.4 Energiedispersive Röntgenspektroskopie 3.3.5 Stickstoffadsorption 3.3.6 Thermogravimetrische Analyse 3.3.7 Ellipsometrie 3.3.8 Goniometrie 3.4 PROZESSRELEVANTE FLUID- UND SUSPENSIONSCHARAKTERISIERUNG 3.4.1 Tensiometrie 3.4.2 Grenzflächenrheometrie 3.4.3 Sedimentations- und Kompressionsmessung 3.5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 3.5.1 Filtration 3.5.2 Waschung 3.5.3 Bestimmung Filtrat- und Retentatkonzentration 3.5.4 Kapillardruckkurve 3.5.5 Umnetzungskurve 4 OBERFLÄCHENKONFIGURATION DER PARTIKELSYSTEME MITTELS SILANEN 4.1 VARIATION DER OBERFLÄCHENENERGIE 4.2 AUSBILDUNG DER SILANSCHICHT 4.3 KONSISTENZ DER DISPERSEN FESTSTOFFEIGENSCHAFTEN 5 BENETZUNGSEFFEKTE BEI DER WASCHUNG VON FILTERKUCHEN 5.1 STRUKTURBILDUNG BEI DER FILTRATION 5.1.1 Sedimentationseigenschaften 5.1.2 Filterkuchenbildung 5.2 KUCHENWASCHUNG 5.2.1 Kuchenwaschung mit mischbaren Systemen 5.2.2 Kuchenwaschung mit nichtmischbaren Systemen 5.2.3 Viskositätsdifferenz 5.2.4 Nachweis der aufgestellten Theorien 6 DARSTELLUNG DES WASCHUNGSGLEICHGEWICHTES ÜBER EINE UMNETZUNGSKURVE 6.1 MESSTECHNISCHE ERFASSUNG 6.1.1 Technische Methode 6.1.2 Druckmethode 6.2 HAUPTEINFLUSSPARAMETER AUF DIE UMNETZUNGSKURVE 6.2.1 Variation der Benetzung 6.2.2 Variation der Partikelform 6.2.3 Variation der Partikelgröße 6.3 VERGLEICH: UMNETZUNGS- UND KAPILLARDRUCKKURVEN 7 SCHLUSSWORT LITERATURVERZEICHNIS ANHANG

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 Durchströmungswäsche von Filterkuchen aus innenporösen Partikeln wird anhand von makro- und mesoporösen Kieselgelen untersucht. Die Filterkuchenbildung der KCl-haltigen Suspensionen erfolgt in einer Drucknutsche nach VDI-2762-2. Die Filterkuchen werden über einen perforierten Stempel mit entionisiertem Wasser durchströmt und der Wascherfolg über die Bilanzierung der K+-Ionen ermittelt. Die Porosität der Kieselgel-Filterkuchen beträgt 80 %, wobei sich 50 % der gesamten Mutterlauge in den Innenporen befindet. Dennoch zeigen sich mit 1 % Restbeladung ähnliche Waschergebnisse wie für unporöse Feststoffe (Quarz und Glas). Die Innenporen werden gereinigt, der in der Literatur postulierte ausgeprägte Diffusionsbereich in der Waschkurve wird nicht sichtbar. Berechnungen nach CARMAN-KOZENY, FICK und mittels dimensionsloser Kennzahlen verdeutlichen, dass Perfusion und Diffusion die Wäsche poröser Systeme beeinflussen. Die vorgestellten Modelle eignen sich auch für die Anwendung in der Praxis. / The displacement washing of filter cakes consisting of porous particles is investigated using macro- and mesoporous silica gels. The filter cakes of KCl-containing suspensions are formed in a pressure filter device according to VDI-2762-2. The filter cakes are flown through with deionized water via a perforated piston and the washing success is determined by balancing the K+ ions. The porosity of the silica gel filter cakes is 80 % and 50 % of the mother liquor is trapped in the inner pores. Nevertheless, with 1 % residual loading, washing results are similar to those for non-porous solids (quartz, glass). The inner pores are cleaned, the distinct diffusion region in the washing curve postulated in the literature is not visible. Calculations according to CARMAN-KOZENY, FICK and by means of dimensionless quantities illustrate that both perfusion and diffusion influence the washing of porous systems. The presented models are also suitable for practical applications.