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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Filtration
von Fluiden, beispielsweise von Getränken wie Bier oder
dergleichen, wonach Unfiltrat mit einem Unfiltratdruck einem Unfiltratraum mit
wenigstens einem darin befindlichen Filterelement zugeführt
wird, und wonach das Unfiltrat durch das Filterelement gefiltert
sowie als Filtrat in einen angeschlossenen Filtratraum überführt
und aus diesem mit einem Filtratdruck abgezogen wird.
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In
der Regel sind der Unfiltratraum und der Filtratraum gemeinsam in
einer Filtereinheit realisiert und durch eine Trennwand voneinander
separiert. An dieser Trennwand sind regelmäßig
hängend sogenannte Filterkerzen als Filterelemente angeordnet, wie
dies die gattungsbildende
EP
1 250 948 B1 im Detail beschreibt.
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Fluide
im Allgemeinen und Getränke wie Bier im Speziellen weisen
oftmals darin suspendierte Trübstoffe auf, die meistens
im Rahmen einer sogenannten Anschwemmfiltration herausgefiltert
werden. Dabei wird regelmäßig mit sogenannten
Filterhilfsmitteln wie Kieselgur, Zellulose (vgl. beispielsweise
DE 198 04 882 A1 ),
Polymeren usw. gearbeitet, die eine Filterhilfsschicht bzw. einen
Filterkuchen, beispielsweise auf einem Horizontalsieb, einem Horizontalspaltfilter
oder auch auf Vertikalspaltfiltern bzw. den einleitend bereits beschriebenen
Filterkerzen oder Kerzenspaltfiltern bilden. Die sich infolge der dem
Unfiltrat oder dem zu filtrierenden Fluid zugegebenen Filterhilfsmitteln
bildende Anschwemmschicht bzw. Anschwemmfilterschicht sorgt bei
der anschließenden Druckfiltration dafür, dass
die im Fluid enthaltenen Trübstoffe ganz oder teilweise
zurückgehalten werden. Bei der Bierfiltration handelt es
sich an dieser Stelle in der Regel um Hefen, Protein-Gerbstoffverbindungen,
Mikroorganismen oder auch Protein-Kohlenhydratverbindungen.
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Während
des beschriebenen Filtrationsvorganges verändert sich die
Durchlässigkeit des aus dem Filterhilfsmittel und den Trübstoffen
gebildeten Filterkuchens. Meistens geht die Durchlässigkeit
zurück, so dass ein Differenzdruck als Unterschied zwischen
dem eingangsseitig des Filterelementes herrschenden Druck und dem
ausgangsseitigen Druck ansteigt. Bei dem eingangsseitigen Druck
handelt es sich um den Unfiltratdruck, während der ausgangsseitige
Druck der Filtratdruck ist.
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Mit
der Änderung der Durchlässigkeit des Filterkuchens
bzw. entsprechenden Permeabilitätsänderungen geht
eine Änderung des Durchsatzes einher. In jedem Fall steigt
mit fortschreitender Filtration der Druckabfall an dem Filterelement
zwischen dem Unfiltratdruck und dem Filtratdruck, weil der Filterkuchen
seine Durchlässigkeit mehr und mehr verliert.
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Da
der Filterkuchen insgesamt, also das oder die Filterhilfsmittel
und/oder die Trübstoffe über eine gewisse physikalische
Kompressibilität verfügen, wird die Durchlässigkeit
des Filterkuchens mit zunehmender Komprimierung durch diesen Effekt weiter
verringert. Das heißt, die Durchlässigkeit des Filterkuchens
sinkt nicht nur dadurch, dass dieser durch die An- und Einlagerung
der Trübstoffe hinsichtlich seiner Poren zunehmend verschlossen
wird. Sondern dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass
die den Filterkuchen bildenden Bestandteile oftmals kompressibel
sind und der im Zusammenhang mit der Abnahme der Durchlässigkeit
des Filterkuchens ansteigende Differenzdruck für eine entsprechende
Kompression sorgt. Dadurch werden ergänzend ehemals noch
durchlässige Kanäle innerhalb des Filterkuchens
geschlossen, so dass im Ergebnis der Differenzdruck an dem Filterelement
oftmals exponentiell zum Ende des Filterzyklus ansteigt.
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Als
Folge hiervon wird das Ende des Filtrationszyklus schneller als
eigentlich erforderlich erreicht und erfolgt die Filtration insgesamt
nicht gleichmäßig, weil der Filterkuchenaufbau
als nicht durchweg homogen anzusehen ist. Der Erfindung liegt das technische
Problem zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung
zur Filtration von Fluiden so weiter zu entwickeln, dass ein homogener
Aufbau des Filterkuchens und eine maximale Filtrationszeit bei gleichbleibender
Filtratqualität erreicht wird.
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Zur
Lösung dieser technischen Problemstellung schlägt
die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren
zur Filtration von Fluiden vor, dass der Unfiltratdruck und der
Filtratdruck im Rahmen eines vorgegebenen Differenzdruckes über
einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden. Dieser
Differenzdruck mag im Bereich von weniger als 10 bar (bzw. 1 MPa)
vorgegeben werden. Das heißt, die Druckdifferenz zwischen
dem Unfiltratdruck und dem Filtratdruck wird auf Werte ≤ 10
bar eingestellt.
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Im
Rahmen der Erfindung wird also gleichsam eine ”isobare
Filtration” vorgenommen, weil im Gegensatz zum Stand der
Technik nach der
EP
1 250 948 B1 ausdrücklich nicht der Volumenstrom
insgesamt konstant gehalten wird, sondern vielmehr der Differenzdruck
zwischen dem Unfiltratdruck und dem Filtratdruck (!). Demgegenüber
präferiert beispielsweise die
EP 1 250 948 B1 eine mengenmäßige
Regulierung des Filtratablaufs dergestalt, dass das Verhältnis
des Unfiltratstroms zum Filtratstrom eingestellt wird. Hierauf kommt
es erfindungsgemäß gerade nicht an.
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Vielmehr
sorgt der konstant gehaltene Differenzdruck zwischen dem Unfiltratdruck
und dem Filtratdruck dafür, dass zunächst einmal
der Filterkuchen über einen homogenen Aufbau verfügt.
Die Komprimierung des eingebrachten Filterkuchens ist über
einen längeren Zeitraum konstant. Dabei greift die Erfindung
nicht notwendigerweise auf in das Unfiltrat eingebrachte Filterhilfsmittel
zurück. Sondern der Filterkuchen kann grundsätzlich
auch durch aus dem Unfiltrat herausgefilterte Bestandteile aufgebaut werden.
In der Regel findet jedoch eine Anschwemmfiltration unter Rückgriff
auf die bereits angesprochenen Filterhilfsmittel wie beispielsweise
Kieselgur, Zellulose, Polymere usw. statt.
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Dabei
sorgt der über den gesamten Filtrationszyklus gleich eingestellte
Differenzdruck dafür, dass die den Filterkuchen aufbauenden
Bestandteile (Trübstoffe und/oder Filterhilfsmittel) letztlich
nicht die beim Stand der Technik beobachtete ständig ansteigende
Kompression erfahren. Das heißt, der Filterkuchen baut
sich unter gleichbleibenden kompressiblen Kräften auf,
wodurch ein homogener Schichtaufbau gewährleistet ist.
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Als
weitere Folge dieses homogenen Aufbaus und des allenfalls geringen
Differenzdruckes zwischen dem Unfiltratdruck und dem Filtratdruck
besteht erfindungsgemäß nicht mehr die Gefahr,
dass sich innerhalb des Filterkuchens Durchbrüche bilden, durch
welche Unfiltrat unmittelbar in den Filtratraum ohne Filtervorgang
gelangt. Das hat zur Folge, dass die Filtriereigenschaften des sich
erfindungsgemäß bildenden Filterkuchens über
den gesamten Filtrationszyklus gleich bleiben, also mit einer gleichen Qualität
des Filtrates zu rechnen ist.
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Schließlich
sorgen die erfindungsgemäßen Maßnahmen
zusammenfassend dafür, dass der Filtrationszyklus maximal
ausgeschöpft wird. Denn üblicherweise wird der
Volumenstrom des Unfiltrats bei gleichbleibendem Differenzdruck
in Abhängigkeit vom Anwachsen der Anschwemmschicht reduziert. Dies
geschieht meistens so lange, bis der Volumenstrom des zugeführten
Unfiltrats in etwa dem Volumenstrom des abgeführten Filtrats
entspricht. Dann sind oftmals anlagenbedingte Grenzwerte und ein minimaler
Produktvolumenstrom bzw. ein minimaler Volumenstrom des Unfiltrats
erreicht, was das Ende des Filtrationsprozesses markiert. – Jedenfalls
wird der Filtrationszyklus maximal ausgedehnt, so dass insgesamt
die Wartungskosten zusätzlich verringert sind, und zwar
bei gleichbleibender Qualität des Filtrats. Hierin sind
die wesentlichen Vorteile zu sehen.
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Dabei
kann der eingestellte Differenzdruck mindestens über 70%
bis 80% des Filtrationszyklus konstant gehalten werden, wobei abhängig
von den Filtereigenschaften oder den zulässigen minimalen Volumenströmen
85% bis 90% erreicht werden bzw. wirtschaftlich noch sinnvoll sein
können.
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Nach
vorteilhafter Ausgestaltung wird der Differenzdruck meistens in
Abhängigkeit einer sich auf dem Filterelement unfiltratseitig
bildenden Anschwemmschicht eingestellt. Das heißt, je nach üblicherweise
eingesetztem Filterhilfsmittel und dessen Eigenschaften wird der
Differenzdruck innerhalb der zuvor vorgegebenen Grenzen (0 bis ca.
10 bar) an die Anschwemmschicht bzw. das Material des Filterhilfsmittels
angepasst.
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Darüber
hinaus hat es sich bewährt, wenn das Filtrat je nach seiner
verbliebenen Trübung nach Passieren des Filterelementes
in den Unfiltratraum ganz oder teilweise rückgeführt
wird. Bei einer teilweisen Rückführung wird das
Filtrat einerseits in den Unfiltratraum und andererseits über
ein Dosierventil zur weiteren Verwendung abgeführt. Die
weitere Verwendung meint in der Regel die unmittelbare Abfüllung
in Flaschen, wenn es vorliegend um die Filtration von Bier geht.
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Die
Entscheidung, wie groß der Anteil des in den Unfiltratraum
rückgeführten Filtrates ist oder eingestellt wird,
hängt von der restlichen Trübung des Filtrates
ab. Die Trübung des Filtrates lässt sich beispielsweise
optisch messen, und zwar mit Hilfe einer sogenannten Streulichtmessung.
Mit Hilfe dieser Streulichtmessung kann letztlich die Anzahl der
Trübstoffe im Filtrat anhand der von diese rückgestreuten Lichtintensität
abgeschätzt werden, wie dies die
DE 197 51 180 C1 oder auch
die
DD 276 239 A1 beschreibt.
Daraus resultieren abgeleitete Trübungswerte, die zur Ansteuerung
des Dosierventils in einer Filtratableitung dienen. Je nach Stellung
des Dosierventils wird mehr oder weniger Filtrat über die
Filtratableitung zur weiteren Verwendung abgeführt, im Beispielfall
der Bierfiltration der unmittelbaren Abfüllung in beispielsweise
Flaschen zugeführt. Das alles geschieht in Abhängigkeit
der Trübung des Filtrats bzw. der daraus abgeleiteten Trübungswerte.
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Darüber
hinaus berücksichtigt das Dosierventil die Menge an eingangsseitig
zugeführtem Unfiltrat. Das heißt, das Dosierventil
wird nicht nur in Abhängigkeit der verbliebenen Trübung
bzw. der daraus abgeleiteten Trübungswerte im Filtrat eingestellt, sondern
auch unter Berücksichtigung der am Eingang vorhandenen
bzw. zugeführten Menge an Unfiltrat. Je größer
die Menge bzw. das Volumen an Unfiltrat am Eingang ist, umso mehr
Filtrat muss regelmäßig über die Filtratableitung
und das in der Filtratableitung vorhandene Dosierventil abgeführt
werden, da ansonsten eine Diskrepanz zwischen dem zugeführten
und abgeführten Volumenstrom zu beobachten ist, die zu
einem möglicherweise nicht vertretbaren Druckanstieg des
Filtrats führt. Gegenstand der Erfindung ist auch eine
Vorrichtung zur Filtration von Fluiden, die vorteilhaft zur Durchführung
des beschriebenen Verfahrens dient und im Anspruch 8 beschrieben
wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand
der Ansprüche 9 ff..
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch und
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2A und 2B eine
Gegenüberstellung des Druckverlaufes und des Volumenstroms
unter Berücksichtigung des erfindungsgemäß eingestellten konstanten
Differenzdruckes (2A) im Vergleich zur Filtration
mit konstantem Durchfluss, wie sie im Stand der Technik verfolgt
wird (2B).
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In
der 1 ist eine Vorrichtung zur Filtration von Fluiden
dargestellt. Bei den Fluiden handelt es sich im Beispielfall um
Bier, welches über eine Unfiltratzuleitung 1 der
Vorrichtung zugeführt wird. Das von Trübstoffen
befreite Bier verlässt als Filtrat die Vorrichtung über
eine Filtratableitung 2. Hierfür sorgt unter anderem
ein Dosierventil 3 in der Filtratableitung 2.
Denn dieses Dosierventil 3 wird durch ein Volumenmessgerät 4 in
der Unfiltratzuleitung 1 angesteuert, was durch eine zugehörige
Verbindungsleitung 5 angedeutet wird.
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Zum
grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung gehört
eine Filtereinheit 6, bei welcher es sich nicht einschränkend
um einen rotationssymmetrisch aufgebauten Filterkessel 6 handelt.
Diese Filtereinheit bzw. der Filterkessel 6 ist in einen
Unfiltratraum 6a und einen hiervon getrennten Filtratraum 6b unterteilt.
Für die Trennung zwischen dem Unfiltratraum 6a und
dem Filtratraum 6b sorgt eine Trennwand 7. An
dieser Trennwand 7 sind im Ausführungsbeispiel hängend
mehrere Filterelemente 8 angebracht, bei denen es sich
um Filterkerzen handelt.
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Die
Filterelemente bzw. Filterkerzen 8 reichen in den Unfiltratraum 6a hinein
und dienen dazu, dass sich auf ihrer Außenwand eine Anschwemmschicht
bzw. daran anschließend der Filterkuchen bildet. Das Innere
der Filterelemente bzw. Filterkerzen 8 ist mit dem Filtratraum 6b verbunden,
weil das durch die Anschwemmschicht passierende Unfiltrat nach seiner
Filterung als Filtrat vorliegt. – Selbstverständlich
kann anstelle der dargestellten und als Filterkerzen ausgeführten
Filterelemente 8 auch auf Horizontalsiebe, Horizontalspaltfilter
oder dergleichen alternativ zurückgegriffen werden. Auch
andere Vertikalspaltfilter als die im Beispiel gezeigten Filterkerzen
sind denkbar und werden vom Erfindungsgedanken umfasst.
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Das über
die Unfiltratzuleitung 1 zugeführte Unfiltrat
(Bier im Beispielfall) wird mit Hilfe einer Pumpe 9 über
eine Unfiltratleitung 10 in die Filtereinheit überführt
bzw. dem Filterkessel 6 und hier dem Unfiltratraum 6a zugeführt.
Danach passiert das Unfiltrat das eine bzw. die mehreren Filterelemente 8 respektive
eine dort sich bildende Anschwemmschicht. Das auf diese Weise gebildete
Filtrat gelangt in den Filtratraum 6b und wird von dort
aus über eine an den Filtratraum 6b angeschlossene
Filtratleitung 11 von der Filtereinheit 6 abgeführt.
Erfindungsgemäß sind nun sowohl dem Unfiltratraum 6a als
auch dem Filtratraum 6b jeweils ein Druckmessgeber 12, 13 zugeordnet.
Mit Hilfe des Druckmessgebers 12 wird der Druck im Innern
des Unfiltratraums 6a gemessen, der sogenannte Unfiltratdruck
P1. Der Druckmessgeber 13 erfasst
demgegenüber den Druck in dem Filtratraum 6b,
den Filtratdruck P2. Beide Druckmessgeber 12, 13 sind
an ein Differenzdruckmessglied 14 angeschlossen, welches
den Differenzdruck ΔP zwischen dem Unfiltratdruck P1 und dem Filtratdruck P2 erfasst. Der
Differenzdruck wird bestimmt von dem Filterkuchenaufbau und der Überströmgeschwindigkeit. ΔP = P1 – P2,
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Man
erkennt, dass das Differenzdruckmessglied 14 über
eine Verbindungsleitung 15 an die Pumpe 9 zur
Förderung des Unfiltrats angeschlossen ist bzw. diese Pumpe 9 beaufschlagt.
Je nach dem gemessenen Differenzdruck ΔP bzw. entsprechend den
vom Differenzdruckmessglied 14 ermittelten Messwerten für
den Differenzdruck ΔP zwischen dem Unfiltratdruck P1 und dem Filtratdruck P2 wird
die betreffende Pumpe 9 in der Unfiltratleitung 10 entsprechend
angesteuert, und zwar dergestalt, dass der Differenzdruck ΔP
im Beispielfall Werte ≤ 10 bar annimmt. Das geschieht im
Zuge einer Regelung.
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Zum
weiteren Aufbau gehört noch ein Trübungsmessgerät 16,
welches ausgangsseitig des Filtratraumes 6b in der Filtratleitung 11 vorgesehen
ist und letztlich über einen Anschluss an den Filtratraum 6b verfügt.
Mit Hilfe dieses Trübungsmessgerätes 16 wird
beispielsweise optisch die Anzahl der Trübstoffe in dem
Filtrat ausgangsseitig des Filtratraumes 6b gemessen.
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Übersteigt
die Trübe bzw. Trübung einen bestimmten vorgegebenen
Wert, so wird das Filtrat beispielsweise vollständig in
den Unfiltratraum 6a rückgeführt. Das
erreicht die Erfindung dadurch, dass die Filtratleitung 11 an
den Eingang der Unfiltratleitung 10 angeschlossen ist,
so dass die Unfiltratleitung 10 und die Filtratleitung 11 eine
geschlossene Ringleitung 10, 11 bilden. Dabei
ist die Unfiltratzuleitung 1 eingangsseitig an die Ringleitung 10, 11 angeschlossen,
während die Filtratableitung 2 ausgangsseitig
an die Ringleitung 10, 11 angeschlossen ist.
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Je
nach dem, wie viel das Dosierventil 3 in der Filtratableitung 2 geöffnet
ist, wird ein mehr oder minder großer Teil des Filtrates
nicht in die Unfiltratleitung 10 und damit den Unfiltratraum 6a zurückgeführt,
sondern ausgangsseitig über die Filtratableitung 2 abgezogen.
Die Einstellung des Dosierventils 3 wird dabei in Abhängigkeit
der Trübungsmesswerte des Trübungsmessgerätes 16 vorgenommen.
Je größer die Trübung des Filtrats desto
höher ist der Anteil des in den Unfiltratraum 6a rückgeführten
Filtrats.
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Insgesamt
wird mit Hilfe der Druckmessgeräte 12 und 13 sowie
des Differenzdruckmessgerätes 14 zunächst
einmal ein etwaiger Differenzdruck zwischen dem Unfiltratdruck P1 und dem Filtratdruck P2 ermittelt. Überschreitet
der Differenzdruck ΔP die im Beispielfall vorgegebene Grenze
(≤ 10 bar), so wird die Pumpe 9 in der Unfiltratleitung 10 im
Wesentlichen so eingestellt, dass der Differenzdruck ΔP
innerhalb der angegebenen Grenze (wieder) liegt. Gegebenenfalls
kann auch das Dosierventil 3 eine entsprechende Einstellung
erfahren.
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Hierfür
mag insgesamt eine nicht dargestellte Steuereinheit sorgen, die
die Pumpe 9 ansteuert, die Differenzdruckwerte des Differenzdruckmessgliedes 14 auswertet,
sowie ebenfalls für die Ansteuerung des Dosierventils 3 sorgt.
Außerdem nimmt die Steuereinheit selbstverständlich
die Volumenmesswerte des Volumenmessgerätes 4 mit
auf und berücksichtigt diese bei der Ansteuerung des Dosierventils 3 ebenso,
wie Trübungsmesswerte des Trübungsmessgerätes 16.
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Schließlich
sorgt die Steuereinheit auch dafür, dass ein Filterhilfsmittel über
einen Filterhilfsmitteltank 17 und eine dortige Pumpe 18 der
Unfiltratleitung 10 zudosiert wird. Dabei stellt die Steuereinheit zudem
sicher, dass der Differenzdruck ΔP in Abhängigkeit
des im Filterhilfsmitteltank 17 bevorrateten Filterhilfsmittels
entsprechend eingestellt wird. Das mag anhand von zuvor praktisch
ermittelten Erprobungswerten erfolgen. So ist es denkbar, dass beispielsweise
der Differenzdruck bei Kieselgur als Filterhilfsmittel ein anderer
ist, als wenn beispielsweise Zellulose eingesetzt wird.
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Dabei
wird das Dosierventil 3 insgesamt nicht nur in Abhängigkeit
von Trübungsmesswerten des Trübungsmessgerätes 16 eingestellt,
sondern auch unter Berücksichtigung der Volumenmesswerte des
Volumenmessgerätes 4 in der Unfiltratzuleitung 1.
Immer gewährleistet der im angegebenen Bereich der Varianz
erfindungsgemäß eingestellte Differenzdruck ΔP,
dass der Filterkuchen homogen aufgebaut wird, das Filtrat über
den gesamten Filtrationszyklus eine gleichbleibende Qualität
aufweist und schließlich der Filtrationszyklus eine maximale
Dauer besitzt. Das wird noch einmal anhand der 2A und 2B deutlich.
Dort ist in der 2A zunächst die erfindungsgemäße
Vorgehensweise mit konstantem Differenzdruck ΔP dargestellt.
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Um
diesen konstanten Differenzdruck ΔP bei wachsendem Filterkuchen
beizubehalten, muss zwangsläufig der Volumenstrom durch
die Pumpe 9 reduziert werden. Das drückt die Kurve
V über der Zeit t aus. In der 2A ist
dann noch die Filterleistung F dargestellt, die mit der Zeit t abnimmt.
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Im
Gegensatz dazu wird beim Stand der Technik mit gleich bleibendem
Volumen V gearbeitet, welches von der Pumpe 9 eine Förderung
erfährt. Das zeigt die 2B. Als
Folge hiervon steigt der Differenzdruck ΔP über
die Zeit t an mit den einleitend bereits beschriebenen negativen
Folgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1250948
B1 [0002, 0009, 0009]
- - DE 19804882 A1 [0003]
- - DE 19751180 C1 [0017]
- - DD 276239 A1 [0017]