Fest-Flüssig-Trennung

Fest-Flüssig-Trennung dient der Abtrennung disperser Feststoffe aus Flüssigkeiten oder umgekehrt. Grundsätzlich wird zwischen mechanischen und thermischen Trennverfahren unterschieden. Mechanische Verfahren nutzen Unterschiede in Dichte, Partikelgröße oder Filtrierbarkeit, während thermische Verfahren auf der Verdampfung der Flüssigkeit beruhen.

Mechanische Fest-Flüssig-Trennungen sind energetisch günstig, da der Aggregatzustand der Flüssigkeit dabei unverändert bleibt. Sie werden bevorzugt eingesetzt, wenn hohe Flüssigkeitsmengen verarbeitet werden und ein Restfeuchtegehalt toleriert werden kann. Ein absolut trockener Feststoff kann mit mechanischen Methoden allein nicht erreicht werden. Daher folgt oft ein thermischer Trocknungsschritt, beispielsweise durch Vakuum-Mischtrocknen, Walzentrocknen, Spintrocknen, Dünnschichtrocknen oder Sprühtrocknen.

Ist der Feststoff in der Flüssigkeit gelöst, so kann seine Abtrennung nur durch thermische Verfahren wie Eindampfen, Kristallisation und Trocknung erfolgen. Diese Verfahren gehören ebenfalls zur Fest-Flüssig-Trennung, da sie auf die vollständige Entfernung der Flüssigphase zielen, jedoch durch Energiezufuhr und Phasenänderung der Flüssigkeit realisiert werden.

Typische Apparate zur mechanischen Entwässerung sind Filterpressen, Bandfilter, Dekanter- oder Schneckenzentrifugen sowie Vakuumfilter. Die Auswahl des Trennaggregats richtet sich nach der Schlammcharakteristik, der Partikelgrößenverteilung, der Viskosität der Flüssigkeit und dem angestrebten Trockensubstanzgehalt.

Bei der Filtration wird ein Filtermedium durchströmt, an dem die Feststoffpartikel zurückgehalten werden. Für die kuchenbildende Filtration gilt im einfachsten Fall das Darcy-Gesetz:

Δp = η * α * c * V / (A * t)

Dabei steht Δp für die Druckdifferenz, η für die Viskosität der Flüssigkeit, α für den spezifischen Filterwiderstand, c für die Feststoffkonzentration, V für das Filtratvolumen, A für die Filterfläche und t für die Zeit. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen Filtratmenge, Druckdifferenz und Filtrationszeit.

Neben der Viskosität hat auch die Oberflächenspannung Einfluss auf die mechanische Fest-Flüssig-Trennung. Eine hohe Oberflächenspannung erschwert das Austreten der Flüssigkeit aus feinen Poren, da sie zu einer stärkeren Kapillarbindung führt. Eine verringerte Oberflächenspannung – etwa durch Tenside – verbessert hingegen die Entwässerung und senkt die Restfeuchte. Dieser Zusammenhang lässt sich mit der Young-Laplace-Gleichung beschreiben.

Δp = 2γ cos θ / r

Dabei ist Δp der Kapillardruck, γ ist die Oberflächenspannung, θ ist der Benetzungswinkel und r ist der Porenradius. Die Zentrifugation nutzt die Trennung durch Fliehkräfte. Der effektive Beschleunigungsfaktor a ergibt sich aus:

a = ω² * r

mit ω = Winkelgeschwindigkeit und r = Radius der Zentrifuge. Je höher die Zentrifugalbeschleunigung, desto besser können Flüssigkeitsreste abgeschleudert werden.

In der Abwasserbehandlung wird die Fest-Flüssig-Trennung zur Entwässerung von Klärschlämmen eingesetzt, um Transport- und Entsorgungskosten zu reduzieren. Vor der mechanischen Abscheidung werden die Suspensionen häufig konditioniert. Dazu dienen Sedimentation, Flockung, Flotation, Kristallisation oder chemische Fällung.

In der chemischen und pharmazeutischen Verfahrenstechnik endet eine Vielzahl von Synthesen mit einer Fällung oder Kristallisation des Zielprodukts. Hierfür werden kontinuierlich arbeitende Schälzentrifugen, Drucknutschen oder Vakuumfilterpressen eingesetzt. Im nachfolgenden thermischen Schritt wird der Filterkuchen restgetrocknet.

Den Abschluss des Prozesses bildet die Vakuum-Mischtrocknung. Diese Art des Trocknens wird Kontakttrocknung genannt. Sie ermöglicht eine schonende Endtrocknung bei niedrigen Temperaturen und verringert Produktschädigungen durch lokale Überhitzung. 

Die Vakuum-Mischtrockner von amixon® zeichnen sich durch große spezifische Wärmeübertragungsflächen und eine sanfte, dreidimensionale Durchmischung aus. Dadurch lassen sich empfindliche Pulver mit minimaler thermischer und mechanischer Belastung trocknen. In jedem Fall sollten Anwender Trocknungstests bei den Maschinenherstellern durchführen.