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Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von Verunreinigungen durch
Filtration aus kolloidalen Lösungen, Emulsionen und ähnlichen Dispersionen Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von Verunreinigungen aus kolloidalen
Lösungen oder Emulsionen mittels Filtration.
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Bei den üblichen Filtrationsverfahren werden aus der zu filtrierenden
Flüssigkeit nur diejenigen Verunreinigungen abfiltriert, deren Abmessungen größer
als die Abmessungen der Maschen bzw. Poren des Filtermaterials sind. Die Filtration
bereitet aber Schwierigkeiten, wenn man kolloidale Lösungen oder Emulsionen filtrieren
muß. In diesem Falle kommt es häufig vor, daß die zu entfernenden Verunreinigungen
zum Teil von derselben Größenanordnung sind wie die dispergierten Teilchen. Die
Filtration ist dann entweder sehr mangelhaft, oder die Poren des Filtermaterials
werden schnell verstopft, indem die Teilchen der Dispersion selbst zurückgehalten
werden.
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Die Erfindung beruht nun auf der überraschenden Beobachtung, daß
es möglich ist, Kollo, undloder gröber disperse Gebilde enthaltende Flüssigkeiten,
wie z. B. Milch, Rohre und Rübenrobzuckersäfte, Latex usw., unter bestimmten, näher
anzugebenden Bedingungen restlos durch eine dünne Schicht von Filtermaterial, deren
Poren zum überwiegenden Teil größer sind als die Verunreinigungen, unter nahezu
vollkommener Abscheidung der Fremdstoffe auf dem Filtermaterial hindurchzuführen.
Die Verunreinigungen werden bei dieser Filtration durch Adhäsion oder Absorption
zurückgehalten.
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Das Filtrationsverfahren nach der Erfindung ist auf ein ähnliches
Prinzip gegründet wie die Reinigung des Wassers mittels Sandfiltration. Die Sandfiltration
unterscheidet sich aber u. a. dadurch von dem vorliegenden Verfahren, daß die Filtration
dabei durch eine dicke Sandschicht stattfindet, während nach der Erfindung eine
sehr dünne Filterschicht, z. B. ein Filtertuch, verwendet wird.
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Man hat bereits vorgeschlagen, die zu reinigende Flüssigkeit durch
Stromlinienfilter hindurchzuführen, welche aus einer Anzahl Papierblätter bestehen,
derart, daß die Flüssigkeit die sich zwischen den Papierblättern befindenden Zwischenräume
durchströmt.
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Auch hier muß also die Flüssigkeit einen langen Weg durch das Filtermaterial
zurücklegen.
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Die Bedingungen, welche bei der Ausführung des Verfahrens in Betracht
kommen, sind im wesentlichen die folgenden: I. Die zu reinigende Flüssigkeit ist
in ruhigem Strome durch die und entlang der Filteroberfläche zu führen, damit die
gegenseitige
Wirkung des Filtermaterials und der Verunreinigungen
nicht gestört wird. Als Höchstgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Filterschicht
wurde für verschiedene Flüssigkeiten I, 8 m pro Stunde festgestellt, für die Geschwindigkeit
entlang der Filterschicht höchstens das Zehnfache der Geschwindigkeit durch das
Filter. Eine Flüssigkeitszufuhr von einem einzelnen Punkte aus ist zu vermeiden.
(Bei den in der Zuckerindustrie bekannten Filterpressen und Beutelfiltern wird z.
B. diese Bedingung niemals erfüllt.) Ebenso zu vermeiden sind Erschütterungen des
Apparates, was durch das Wesen der Kolloidfiltration bedingt wird.
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2. Damit die geformte Filterschicht nicht zerstört und das Filtermaterial
nicht verschmiert wird, ist während des Filtrierprozesses die ganze Filteroberfläche
unter dem Flüssigkeitsspiegel zu halten.
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3. Die Maschenweite des Filtermaterials ist dem Dispersitätsgrade
der im Filtrat erwünschten Teilchen anzupassen.
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Die Verwendung von möglichst viel- upd feinfaserigem Material kann
eine Verb es serung der Reinigung hervorrufen; es wird aber ein ebenso guter Erfolg
mit Filterstoffen anderer Art erzielt. Selbst durchlochtes Metall oder feines Drahtgewebe
kann sehr gut verwendet werden.
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So wurde z. B. gefunden, daß für Milch, in welcher die Abmessungen
der dispergierten Teilchen (Fettkügelchen) zwischen I bis 20 Iiegen, eine Maschenweite
von 200 y den Anforderungen entspricht, wenn man die Geschwindigkeit durch das Filtermaterial
auf maximal I,S m und entlang dem Filtermaterial auf maximal I8 m pro Stunde begrenzt.
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Bei diesen Geschwindigkeiten wird eine vollkommene Abscheidung der
Fremdstoffe erzielt, während die Filterschicht ihre Wirksamkeit während mehrerer
Stunden beibehält.
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Konstruktiv können die obengenannten Bedingungen in verschiedener
Weise erfüllt werden. Im allgemeinen besteht ein Filter, das nach diesem Filtrierprinzip
arbeitet, aus einem Gefäß mit einem Zufuhrraum, aus dem die Flüssigkeit in beruhigtem
Strome in einen Filterelementenraum tritt. In diesem befinden sich ein oder mehrere
stehende, mit Filtermaterial umkleidete Filterelemente, welche außerhalb des Gefäßes
ausmünden, und zwar an der Oberseite oder der Unterseite des Gefäßes oder des Filterraumes.
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Die Trennung zwischen Zufuhrraum und Filterelementenraum kann sehr
bequem durch eine Platte gebildet werden, welche die Verbindung zwischen beiden
Räumen zum größten Teile abschließt. Diese Platte, welche Zonentrennung genannt
wird, weil sie eine Scheidewand zwischen der unruhigen Zufuhrzone und der ruhigen
Filterelementenzone bildet, wird an einer durch die Eigenschaften der zu filtrierenden
Flüssigkeit bedingten Stelle angeordnet.
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Bei dem Bau einer Filtervorrichtung nach der Erfindung sind die gesamte
Filtrierooerfläche und ihr Gesamtumfang zu bestimmen, und zwar als Funktionen der
die Strömungsenergie liefernden Druckdifferenz unter Berücksichtigung der Viskosität
und des Reibungskoeffizienten der zu filtrierenden Flüssigkeit und der Form und
Größe der Abführöffnungen der Filterelemente.
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Die beiliegenden Zeichnungen zeigen (jedoch nur beispielsweise) eine
Ausführungsform einer zu dem genannten Zweck besonders geeigneten Vorrichtung. Es
wird hierbei aber ausdrücklich bemerkt, daß die für die Ausführungsform des Verfahrens
geeigneten Apparate keineswegs auf die angegebene Ausführungsform beschränkt sind,
und daß die üblichen Filterapparate derart umgebaut werden können, daß sie den gestellten
Bedingungen genügen.
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Fig. I ist ein Schnitt durch einen für das Verfahren geeigneten Apparat;
Fig. 2 stellt im Querschnitt die oberen Enden von zwei Filterelementen dar; Fig.
3 ist ein Schnitt durch eine etwas abweichende Ausführungsform der Erfindung.
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In dem Behälter I von rechteckigem Querschnitt befinden sich die
Filterelemente 2, welche senkrecht und parallel zueinander angebracht sind. Diese
bestehen im wesentlichen aus einem Rahmen 3, der oben an einem Rohr 4 befestigt
ist. Der Raum zwischen Rahmen und Rohr ist mit dünnen Streifen 5 ausgefüllt, die
durch dünne Stangen 6 gestützt werden. Diese dünnen Streifen dienen dazu, das Zusammenschlagen
des faserigen Filtersackes 7 durch den Flüssigkeitsdruck zu verhüten. Für diesen
Zweck können auch beliebige andere Vorrichtungen angebracht werden, z. B. Ketten,
spiralförmig gewundener Metalldraht, Wellblech 0. dgl. Die Streifen 5 sind oben
und unten mit Löchern 8 versehen, um etwa auftretende Druckunterschiede auszugleichen.
Die Rohre 4 sind mit Löcherng versehen, durch welche die gereinigte Flüssigkeit
abgeführt wird. Zu diesem Zweck sind sämtliche Rohre 4 der Filterelemente 2 mittels
Muttern 10 und auf den Rohren 4 befindlicher Kragen in in Löchern in der Seitenwand
des Gehäuses 1 befestigt, während die Rohre am anderen Ende durch Stopfen 12 abgeschlossen
sind.
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Oberhalb der Filterelemente2 befindet sich die Zonentrennungsplatte
I3, welche die stark bewegte Zufuhrzone 14 von der Filterelementenzone trennt, in
der die zu reinigende Flüssigkeit sich sehr ruhig und gleichmäßig bewegt.
Diese
Platte ist mit einem senkrechten Rand 22 versehen, um einen direkten Strom von der
Zufuhrzone 14 nach der Filterelementenzone zu verhüten.
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Die zu reinigende Flüssigkeit wird der Zufuhrzone in beliebiger Weise
zugeleitet, nur muß darauf geachtet werden, daß dabei keine Erschütterungen auf
das Filter übertragen werden, da diese das einwandfreie Arbeiten des Filters verhindern.
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Die sämtlichen Rohrenden münden in einen kleinen Kasten I5, der seitlich
an dem Filtergehäuse angebracht ist. Durch die Ablauföffnung I6, die höher angebracht
ist als die Trennungsplatte I3, So daß die Filterelemente 2 während der Filtration
ständig in der Flüssigkeit untergetaucht bleiben, wird die filtrierte Flüssigkeit
abgeführt. Eine weitere durch einen Hahn abgeschlossene Offnung I7 ermöglicht nach
Beendigung der Filtration die Entleerung des kleinen Kastens. Ein Deckel schützt
die filtrierte Flüssigkeit vor Verunreinigungen.
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Das Filtergehäuse 1 ist unten ein wenig vertieft, damit die gröberen
Schmutzteile sich dort sammeln und gegebenenfalls während des Betriebes durch den
Hahn 19 abgelassen werden können.
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Die Filtration wird folgendermaßen ausgeführt: Die zu filtrierende
Flüssigkeit geht durch den zwischen den Wänden des Gehäuses I einerseits und der
Trennungsplatte I3 andererseits gebildeten Spalt und kommt in den Filterelemententeil
des Filtergehäuses.
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Dort tritt sie durch das Filtertuch7 ins Innere der Filtersäcke, strömt
durch die Löcher 9 in das Rohr 4 und geht schließlich durch den Sammelkasten 15
zur Auslauföffnung I6. In Fig. I ist der Druck, unter dem das Filter augenblicklich
arbeitet, mit h bezeichnet.
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Ist die Filtration beendet, so wird die zurückgebliebene Flüssigkeit
durch Hahn 19 abgelassen, um erforderlichenfalls in anderer Weise gereinigt zu werden.
Das Rohr 4 kann jedoch auch an der - Unterseite der Filterelemente angebracht werden,
was den Vorteil hat, daß schließlich gar keine ungereinigte Flüssigkeit zurückbleibt.
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In Fig. 2 bezeichnet a den Abstand zwischen beiden Filterelementen.
Dieser Abstand wird für jede Filterelementengröße aus den zulässigen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
durch das Filtermaterial und an ihm entlang sowie aus den Abmessungen der Filterelemente
berechnet.
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In Fig. 3 bewirkt ein Rohr 205 daß der Ablauf höher liegt als das
obere Ende der Filterelemente. Die Filterelemente bleiben dann immer unter der Flüssigkeit,
auch wenn keine Flüssigkeitszufuhr stattfindet.
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Ein Einfülltrichter 21 gestattet im Zusammenwirken mit dem Rand 22
auf der Zonentrennungsplatte das Eingießen der zu filtrierenden Flüssigkeit mit
Handgefäßen.
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Durch diese Vorrichtung wird nämlich erreicht, daß die Filterelementenzone
nicht mit einem direkten Flüssigkeitsstrom in Berührung kommt.
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Durch die Erfindung wird eine sehr hohen Anforderungen entsprechende
bequeme Reinigung von kolloidalen Flüssigkeiten erzielt.