Modellierung des Filtrations- und Fließverhaltens von ultrafeinen, kompressiblen, flüssigkeitsgesättigten Partikelpackungen

Die Abscheidung der Flüssigkeit von Suspensionen aus festen kompressiblen Partikeln im Mikrometerbereich ist eine wichtige verfahrenstechnische Aufgabe mit ständig wachsender Bedeutung für die Industrie. Die Druckentwässerung wird in Pressfiltern realisiert und erfolgt in zwei Stufen: Filtration und Konsolidierung (Nachpressen des Filterkuchens). Am Ende des Auspressprozesses von ultrafeinen Suspensionen entstehen in der Regel flüssigkeitsgesättigte, kompressible, kohäsive, schwer fließende und relativ dicht gepackte Partikelpackungen mit extrem niedrigen Permeabilitäten.   In dieser Arbeit wurde die Entwässerungsdynamik von geflockten ultrafeinen Partikelsystemen mit Elektrolyteinsatz sowie das Fließverhalten und die mechanischen Eigenschaften der ausgepressten Filterkuchen experimentell bestimmt und miteinander verglichen. Außerdem wurden die mittleren charakteristischen interpartikulären Haftkräfte in den konsolidierten  Packungen berechnet. Als Versuchsapparatur wurde eine Preßscherzelle angewandt, welche speziell für Filtrations- und Scherexperimente gebaut wurde.   Die Auspressdynamik der Suspensionen wurde einerseits mit der klassischen Filtrationstheorie und anderseits mit einem am Lehrstuhl entwickelten Filtrations- und Konsolidierungsmodell ausgewertet, welches die zeitliche und örtliche Variation der Packungsdichte und den Einfluss der Wandreibung auf den Prozessverlauf berücksichtigt. Die Modellergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten.   Ein anderer Schwerpunkt der Arbeit war die experimentelle Untersuchung und Modellierung des Fließverhaltens von undrainierten Pasten. Die Pasten stellen einen metastabilen Übergangszustand zwischen Suspension und flüssigkeitsgesättigter Partikelpackung dar. Der Pastenzustand ist als dünne, locker gepackte Grenzschicht zwischen der Suspension und dem wachsenden Filterkuchen während der Filtration zu bezeichnen. Die so definierte Paste besitzt im Laufe des Filtrationsprozesses eine konstante, vom Stoffsystem und Suspensionszustand abhängige Packungsdichte.   Zusätzlich wurde ein numerisches 2D-Modell zur Beschreibung des Entwässerungsverhaltens entwickelt. Es ermöglicht die Simulation der Filtrations- und Konsolidierungsdynamik von ultrafeinen Partikelsystemen mittels Kombination von Diskrete-Elemente-Methode und Fluid-dynamik. Die simulierte Prozessdynamik wurde mit der gemessenen verglichen, bewertet und eine gute Übereinstimmung gefunden. Diese neue Methodik hat sich als ausgesprochen sinnvoll und zukunftversprechend erwiesen.