Trennen disperser Systeme Flashcards
Unterteilung von Systemen, aus denen Fluide abgetrennt werden können
Grobe Suspension:
Feststoffteilchen mit einer Korngröße von > 100 μm
Feine Suspension:
Korngröße zwischen 0,5 und 100 μm
- Trüben: feine Suspensionen mit einem Feststoffgehalt von < 300 g / L
- Schlämme: feine Suspensionen mit einem Feststoffgehalt von wesentlich > 300 g / L
Emulsionen:
Disperses System aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten
Kolloidale Lösungen:
Disperses System, in dem die disperse Phase so fein verteilt ist, dass sich die Partikel fast wie Moleküle verhalten (Tyndall-Effekt)
Trennverfahren: Sedimentation
Treibende Kräfte (3): und Trennapparat
- Schwerkraft: Eindicker und Klärbecken
- Fliehkraft: Vollmantelzentrifuge, Tellerzentrifuge und Hydrozyklon
- Fliehkraft und Adhäsion: Prallringzentrifuge
Trennverfahren: Filtration
Treibende Kräfte (6): und Trennapparat
- Überdruck: Druckfilter
- Unterdruck: Saugfilter
- Druckkraft: Scheidepresse
- Schwer- und Fliehkraft
- Kapillarkraft: Kapillarbandfilter
- Fliehkraft: Siebzentrifuge
Trennverfahren: Membrantrennverfahren
Treibende Kräfte (3) und Trennapparat
Hydrostatischer Druck: Ultrafiltration und Umkehrosmose
Elektrostatisches Potential: Elektrodialyse
Konzentrationsdifferenz: Dialyse (z.B. zur Alkoholreduzierung in Bier)
Unterschiedliche Sedimentationsarten (2)
Schwerkraftsedimentation (Sedimentation, Absetzen):
Die Trennung erfolgt durch die unterschiedliche Wirkung der Schwerkraft auf Partikel mit unterschiedlicher Dichte
Fliehkraftsedimentation (Zentrifugation):
Stofftrennung durch unterschiedliche Wirkung der Fliehkraft (Zentrifugalkraft) auf Partikel mit unterschiedlicher Dichte
Schwerkraftsedimentation: Ziele und Anwendungsbeispiele
Ziele:
- Eindicken: Prozessziel ist Gewinnung eines Sediments
Klären oder Dekantieren: Prozessziel ist Gewinnung einer klaren Flüssigkeit
Anwendungsbeispiele:
- Stärkeindustrie
- Brauindustrie
- Reinigung von Abwässern
Ergebnis des Absetzens:
- klare mit schwebenden Feingutteilchen
- mit Klarflüssigkeit gesättigter abgesetzter Feststoffschlamm, das Sediment am Boden
Relative Abflussgeschwindigkeit vs Absolute Abflussgeschwindigkeit
Reale Abflussgeschwindigkeit missachtet Form der Teilchen und die Feststoffkonzentration
-> Absolute Abflussgeschwindigkeit tut dies schon durch Formfaktor φ und Konzentrationsbeiwert k
Trennkorngröße: Vorstellung vs. Wirklichkeit
Vorstellung:
- Abscheidung aller Teilchen größer als dp (Trennkorngröße)
- Austrag aller Teilchen kleiner als dp
Wirklichkeit:
-> keine derartige Trennung:
Feststoffpartikel mit der Trennkorngröße sind zu etwa gleichen Teilchen im Klarlauf und im Schlamm enthalten
Fliehkraftsedimentation: Zentrifugation
-> Was ist es, was passiert
Zentrifugation: mechanisches Trennverfahren zur Abscheidung feinverteilter Feststoffteilchen aus Suspensionen => durch Fliehkraftsedimentation
- beim Zentrifugieren wird Suspension in Rotation versetzt -> Schwerkraft (FG) und Fliehkraft (FZ) wirkt sich auf jedes Flüssigkeits- und Feststoffteilchen aus
- Fliehkraftfeld ist um ein Vielfaches stärker als das Schwerkraftfeld
Verlauf der Trennung in der Zentrifuge
- Suspension liegt als Suspensionsring an der Zentrifugenwand vor
- Fliehkräfte unterscheiden sich durch unterschiedliche Dichte (von Flüssigkeit und Feststoff)
- Feststoffteilchen mit größerer Dichte werden von Fliehkraft stärker nach außen gezogen als Flüssigkeitsteilchen
=> Feststoffteilchen sammeln sich an Zentrifugenwand
Was beschreibt die Schleuderzahl (KZ) im Zentrifugalfeld
-> Verhältnis von Zentrifugalbeschleunigung zu Fallbeschleunigung
= az / g
Kontinuierliche / Diskontinuierliche Zentrifugation
+ Beispiele
Laufender Prozess vs. Prozess läuft in Chargen / Batches ab
Beispiel Diskontinuierlich:
- Vollmantelzentrifuge
Beispiele Kontinuierlich:
- Dekanter (+Trikanter)
Tellerzentrifuge (Separator)
Was ist ein Grenzkorndurchmesser
das kleinste noch abscheidbare Partikel, welches vorm oberen Tellerende sich noch abscheidet
Filtration: Abgrenzung zur Sedimentation
Filtration:
- kein Dichteunterschied zwischen Feststoff und Flüssigkeit für Trennung erforderlich
=> Triebkraft ist Druckgefälle zwischen Rohlösung (Suspension) und der Filtratseite
Prinzip der Filtration
Filtrieren ist das Abscheiden von Feststoffteilchen aus Suspensionen (V0) mit Hilfe eines porösen Filtermittels
–> Abtrennen von Feststoffpartikeln, Kolloiden, Bakterien, Makromolekülen, Ionen
Ziel der Klärfiltration und der Scheide- oder Trennfiltration
Klärfiltration: Ziel ist die Gewinnung des Filtrates
Scheide- oder Trennfiltration: Ziel ist die Gewinnung des Feststoffes
Wie verläuft eine konventionelle Filtration
- Abtrennung von Feststoffteilchen aus Suspensionen mit Hilfe eines porösen (flüssigkeitsdurchlässigen) Filtermittels
- Filtermittel lässt die feststofffreie Flüssigkeit (Filtrat) passieren und hält den Feststoff (Filterkuchen) zurück
Trennprinzip, Trennbereich und Triebkraft bei Druckfiltration mit Filterpressen
Trennprinzip: Trennung nach Partikelgröße
Triebkraft: Druckunterschied über und unter der Filterfläche
Trennbereich: 1 - 100 μm
Wie funktioniert die Fliehkraftfiltration
- zusätzliches Filtermittel auf der Außenseite der Trommel (-> Sedimentation)
- Schleudern der zu filtrierenden Rohlösung (Suspension) im Fliehkraftfeld an die Trommelwand
- Zurückhalten der Feststoffpartikel vom Filtermittel -> Ausströmen des Filtrats durch die Öffnungen der Trommel nach außen
Filtrationsarten (3)
- Siebfiltration:
Filtermittel hält alle Feststoffteilchen zurück, die größer als Poren sind - Tiefenfiltration:
Feststoffteilchen werden werden in Zwischenräumen einer Filtermittelschicht zurückgehalten - Kuchenfiltration:
Abtrennung der Feststoffteilchen erfolgt durch einen sich im Laufe der Filtration aus den Feststoffteilchen aufbauenden, porösen Filterkuchen
Was ist eine Filtermittelschicht
- flüssigkeitsdurchlässige Schicht
- ermöglicht Aufbau eines Filterkuchens bei Tiefenfiltration (Anschwemmfiltration)
-> vollkommende Trennwirkung erst nach Aufbau des Filterkuchens
Gebräuchliche Filtermittel (7)
● Siebe
● Metallplatten
● Textilgewebe
● verfilzte Schichten (Filterpapiere)
● lose Schüttungen
● poröse Körper (Filtersteine)
● Membranen
Was sind Filterhilfsmittel, was machen sie und wann werden sie eingesetzt
- körnige oder faserige Teilchen
- Anschwemmung vor Filtration als geschlossene Schicht oder kontinuierliche Beimischung nach Voranschwemmung der Suspension
- Einsatz bei schwer filtrierbaren Trüben zum Aufbau des Filterkuchens
Anforderungen an Filterhilfsmittel (5)
● hoher Durchsatz durch optimale Teilchengröße und -form
● niedrige Kosten pro Volumeneinheit Filtrat
● mechanisch stabil (geringe Kompressibilität des Filterkuchens)
● chemische Beständigkeit
● physiologische Unbedenklichkeit
Gesetz von Gagen-Poiseuille
- (physikalische) Grundlage aller Filterformeln
- gültig für die laminare Strömung Newtonscher Fluide durch eine Kapillare
Fließgeschwindigkeit wF
was misst sie und in welcher Einheit
-> wovon abhängig
- Flächendurchsatz an Filtrat durch den gesamten Filterkuchen und Filtermittel
-> Messung in m^3/m^2 pro h bzw. m/h
bei konstanter Kuchendicke hauptsächlich abhängig von:
- vom Druckgefälle
- vom Widerstand des Filterkuchens
Was ist eine statische Filtration
Dead-End-Filtration:
- Bildung eines Filterkuchens aufgrund Retention der suspendierten Feststoffteilchen
- Anstieg der Dicke des Filterkuchens mit zunehmender Filtrationsdauer
- Abnahme der Permeabilität des Filters mit zunehmender Dicke -> Senkung des Filtratdurchsatzes
Was ist ein dynamische Filtration
Cross-Flow-Filtration:
- Suspension läuft als Strom an Filter vorbei
-> Bildung des Filterkuchens in wesentlich geringerem Umfang
-> daher sinkt auch der Filterdurchsatz nicht so stark ab wie bei statischer Filtration
In welche 3 Bereiche kann man Filterbauarten unterteilen
nach Betriebsweise:
- diskontinuierlich
- kontinuierlich
nach dem Filtermittel
nach der treibenden Kraft
Je 2 Beispiele für diskontinuierliche und kontinuierliche Filtrationsarten
diskontinuierlich:
- Rahmenfilterpresse
- Schichtenfiltration
kontinuierlich:
- Vakuumbandfilter
- Inline-Filtration (z.B. Kerzenfiltration)
Ziele der Filtration in der Getränkeproduktion
- Entfernung von Trubstoffen
- Entfernung von Mikroorganismen
- Verminderung von Inhaltsstoffen, die im abgefüllten Getränk zu einer Trübung führen
- Sensorische Verbesserung
Welche Ziele müssen erreicht werden zum Klären, Schönen und Stabilisieren von Getränken
- enzymatischer Abbau von hochmolekularen Substanzen wie Pektin und Stärke
- Ladungsausgleich und gegenseitige Flockung entgegengesetzt geladener Kolloidpartikel
- Adsorption von Proteinen, Polyphenolen und anderen Substanzen an Polyamide, Bentonite etc.
Klär- und Stabilisierungsmittel für Getränke (5)
wichtigstes Klärhilfsmittel:
- Gelatine
weitere Hilfsmittel:
- Tannine (Gerbsäure)
- Kieselsol (in Wasser kolloidal gelöste Kieselsäure)
- Bentonit (quellfähige Tonerde der Montmorillonitgruppe)
- Enzyme: Pektinasen, Proteasen, Amylasen, Cellulasen
Was sind Membrantrennverfahren
- was ist Retentat und Permeat
- Verwendung von Membranen zur Trennung von Stoffgemischen
- Trennung von molekulardispersen und kolloiddispersen Fluiden
Retentat:
enthält die vor der Membran aufkonzentrierten Moleküle (kein Filterkuchen)
Permeat:
enthält alle Substanzen, die die Membran passieren; es entspricht dem Filtrat der Kuchenfiltration
Was ist eine Membran (bei Filtration)
+ welche 2 Membranarten gibt es
- dünne, feinporige Wan
- hält fast alle Teilchen oberhalb einer bestimmten Größe zurück
- lässt die kleineren Teilchen ungehindert und ohne Verlust durch
-> Selektivität
Membranarten: - Symmetrische Membranen (Ober- und Unterseite weisen gleiche Eigenschaften auf)
- Asymmetrische Membranen (zusammengesetzte Membran)
Vorteile (8) des Membrantrennverfahrens
+ ein Nachteil
- mit speziellen, auf das Trennproblem abgestimmten Membranen sind sehr günstige Selektivitäten zu
erzielen - produktschonend: schonende Trennungen bei niedriger Temperatur
- wesentlich geringerer Energiebedarf als für herkömmliche Trennverfahren
- sichere Handhabung
- hohe Flexibilität
- geringer Gewichts- und Platzbedarf
- umweltfreundlich
- kontinuierlicher Prozess
Nachteil:
Verkleinerung des Stoffflusses wegen der Verbesserung der Selektivität
-> relativ langsamer Prozess, da von der Diffusion abhängig
Modelle zum Mechanismus der Stofftrennung mit Membranen
- Porenmodell
- Lösungs-Diffusions-Modell
Filtrationsarten von groß nach klein (5)
- Konventionelle Filtration
- Mikrofiltration
- Ultrafiltration
- Nanofiltration
- Umkehrosmose
