DE102019206191A1

DE102019206191A1 - Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial

Info

Publication number: DE102019206191A1
Application number: DE102019206191.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Woltz; Almut Schwenke; Oswin Öttinger; Rainer Schmitt; Christian Bienhüls
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05
Also published as: WO2020221721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) umfassend ein textiles Flächengebilde (10), wobei das textile Flächengebilde (10) ein carbonfaserhaltiges Garn (11) und Fluiddurchtrittsbereiche (13) zur Durchströmung des textilen Flächengebildes (10) von der Vorderseite zur Rückseite des textilen Flächengebildes (10), aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial, ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials und die Verwendung eines carbonfaserhaltigen Garns zur Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Gasstrom.
Vorrichtungen zur Abtrennung von Flüssigkeitstropfen aus Gasströmen sind bekannt.
Die WO 2018/069812 A1 beschreibt einen Flüssigkeitsabscheider mit einem Gehäuse, das eine Trennkammer umgibt. In der Trennkammer strömt ein Flüssigkeitstropfen enthaltender Gasstrom tangential zu einer Gehäusewand, so dass Flüssigkeitstropfen an der Wand des Gehäuses abgeschieden werden können. Die Gehäusewand ist zweischichtig. Sie umfasst eine Auskleidung, an deren Außenseite ein Komposit angebracht oder gewunden ist. Es ist beschrieben, dass das Komposit in eine Harzmatrix eingebrachte Fasern, z.B. Glasfasern, Aramidfasern, Carbonfasern oder Basaltfasern umfassen kann. In dem Gehäuse kann unten ein Tropfenabscheider angeordnet sein, zur Aufnahme von Tröpfchen, die nicht an der Gehäusewand abgeschieden wurden. Es ist beschrieben, dass der Tropfenabscheider z.B. ein offener Schaum, ein schwammartiges oder ein weiches Material sein kann.
In der Offenlegungsschrift DE 198 58 367 A1 sind Füllkörper und Einbauten zum Stoff- oder Wärmeaustausch, sowie zum Mischen und Trennen von gasförmigen und/oder flüssigen Medien beschrieben. Darin wird eine schwere Phase (Flüssigkeit) von nebeneinander auf einer Querschnittsebene angeordneten Ablaufstellen in drei oder mehreren seitlichen Richtungen zu Sammelstellen der darunter befindlichen Querschnittsebene geleitet und mit von benachbarten oberen Ablaufstellen kommender Flüssigkeit vereinigt und miteinander gemischt. Die Querschnittsebenen können über Drähte oder Fäden verbunden sein. Es ist auch beschrieben, dass die Drähte oder Fäden aus verschiedenen Materialien, (genannt sind neben vielen anderen Materialien auch Kohlefasern) hergestellt sein können. Die Vorrichtung soll auch als Demister zum Abscheiden von Flüssigkeitstropfen wirken können.
DE 11 2013 004 287 T5 betrifft Gas-Flüssigkeit-Trägheitsabscheider mit einem Trägheitskollektor, der eine scharfe Richtungsänderung der Gas-Flüssigkeit-Strahlen bewirkt, wodurch eine Trennung von flüssigen Teilchen aus dem Gas-Flüssigkeit-Strom bewirkt wird. Der Trägheitskollektor umfasst ein poröses Sammelsubstrat. Es ist beschrieben, dass das poröse Sammelsubstrat Fasern umfassen kann, die so behandelt sind, dass Sie oleophob sind und einer Verklebung durch Öl wiederstehen. Genannt werden unter anderem auch Kohlefasermedien mit einer oleophoben Beschichtung. Als oleophobe Beschichtungen sind genannt: Fluorkohlenstoffharz, Silikonharz, bestimmte Polysiloxan-Tenside.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material bereitzustellen, mit dessen Hilfe sich Flüssigkeit auch aus hochkorrosiven Gasströmen mit minimalem Energieaufwand abscheiden lässt, auch ohne eine Richtungsänderung des Gasstromes erzwingen zu müssen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial umfassend ein textiles Flächengebilde, wobei das textile Flächengebilde ein carbonfaserhaltiges Garn und Fluiddurchtrittsbereiche zur Durchströmung des textilen Flächengebildes von der Vorderseite zur Rückseite des textilen Flächengebildes, aufweist.
Die Fluiddurchtrittsbereiche sind definiert durch Abschnitte carbonfaserhaltigen Garns, die innerhalb des textilen Flächengebildes verlaufen. Die Fluiddurchtrittsbereiche sind von diesen Abschnitten umgeben. Durch die so definierten Fluiddurchtrittsbereiche hindurch ist das textile Flächengebilde von dessen Vorderseite zu dessen Rückseite durchströmbar. Vorzugsweise weist das textile Flächengebilde regelmäßig und beabstandet angeordnete gleichförmige Fluiddurchtrittsbereiche auf. Regelmäßig und beabstandet angeordnete gleichförmige Fluiddurchtrittsbereiche werden z.B. definiert durch benachbarte Maschen, insbesondere wenn das textile Flächengebilde ein Gestrick ist oder durch umgebende, sich (z.B. orthogonal) kreuzende Abschnitte carbonfaserhaltigen Garns, insbesondere wenn das textile Flächengebilde ein Gelege oder ein Gewebe ist. Vliese weisen keine regelmäßig und beabstandet angeordneten gleichförmigen Fluiddurchtrittsbereiche auf.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße carbonfaserhaltige Tropfenabscheidungsmaterial eine Stützkomponente. Es wurde gefunden, dass die Stützkomponente eine dimensionsstabile, offene/poröse Struktur des Tropfenabscheidungsmaterials begünstigt. Die Stützkomponente ist nicht zwingend erforderlich, wenn die Dicke des carbonfaserhaltigen Garns und die Beschaffenheit des textilen Flächengebildes für eine ausreichende Stabilität sorgen. Jedoch ermöglicht die Stützkomponente eine freie Wahl des carbonfaserhaltigen Garns, unabhängig von den mechanischen Anforderungen, die der durchströmende Gasstrom an das textile Flächengebilde stellt. Bei ausreichender Stützung können Gasströme mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten durch das textile Flächengebilde geführt werden, auch wenn die textilen Flächengebilde unter Verwendung sehr dünner und folglich flexiblerer Garne gebildet sind und das textile Flächengebilde einen großen gasdurchströmten Querschnitt überspannt.
Hinsichtlich der Wahl der Stützkomponente bestehen keine Beschränkungen, sofern sie die mit der jeweiligen Tropfenabscheidungsanwendung einhergehenden Anforderungen an die Stützfunktion und Stabilität in den Anwendungsbedingungen (Temperatur, umgebende Medien) erfüllt. Eine ausgeprägtere Stützfunktion kann erforderlich sein, wenn eine Tropfenabscheidung mit einem textilen Flächengebilde bewirkt werden soll, das aus dünnem und flexiblem carbonfaserhaltigem Garn gebildet ist und zugleich einen großen Querschnitt eines schnell strömenden Gasstroms überspannen soll. Hingegen kann eine weitaus geringere oder keine Stützfunktion ausreichen, wenn eine Tropfenabscheidung mit einem textilen Flächengebilde bewirkt werden soll, das aus dickem, eher unflexiblem carbonfaserhaltigem Garn gebildet ist und zugleich durch das textile Flächengebilde ein kleiner Querschnitt eines langsam strömenden Gasstroms überspannt werden soll. Der Fachmann wählt die Stützkomponente unter Mitberücksichtigung dieser prozesstechnisch zu erfüllenden Rahmenbedingungen aus. Die Stützkomponente kann z.B. ausgewählt sein unter

- einem in das textile Flächengebilde eingearbeiteten Stützfilament,
- carbonfaserverbindenden Brücken,
- einem das textile Flächengebilde mindestens teilweise umgreifenden Korb, und
- einer im Schichtverbund mit dem textilen Flächengebilde vorliegenden Kaschierung, z.B. einem CFC-Gitter. CFC steht für carbonfaserverstärkten Kohlenstoff.

Das eingearbeitete Stützfilament bietet eine noch höhere Dimensionsstabilität, als eine stabile, offene 3D Struktur des textilen Flächengebildes. Dies gilt insbesondere, wenn das in das textile Flächengebilde eingearbeitete Stützfilament parallel zum carbonfaserhaltigen Garn verläuft, wie es z.B. durch Co-Stricken von carbonfaserhaltigem Garn und Stützfilament erreicht werden kann. Das Stützfilament kann ein Thermoplastmonofilament umfassen oder, besonders bevorzugt, ein Thermoplastmonofilament sein. Das Thermoplastmonofilament kann ein Polyalkylenmonofilament, vorzugsweise ein Polypropylenmonofilament, oder ein Fluorpolymermonofilament, vorzugsweise ein Polytetrafluorethylenmonofilament, sein. Fluorpolymermonofilamente bewirken eine hohe Korrosionsbeständigkeit und können auch bei hohen Einsatztemperaturen verwendet werden.
Die carbonfaserverbindenden Brücken fixieren sich kreuzende Garnstrangbereiche und wirken somit einem Verrutschen der Garnstrangbereiche entgegen. Es wurde gefunden, dass auch dies die Dimensionsstabilität steigert. Zur Fixierung und Erhalt der Stabilität des textilen Flächengebildes im Gasstrom sind die Brücken sinnvoll und ausreichend. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Brücken Carbonfasern unterschiedlicher, sich kreuzender Garnstrangbereiche angehören. Die Brücken können auch Carbonfasern verbinden, die innerhalb desselben Garnstrangs (im Wesentlichen parallel zueinander) in dieselbe Richtung verlaufen. In einem Gestrick versteifen derartige, innerhalb desselben Garnstrangs vorliegende Brücken den maschenförmigen Verlauf des Garns, ohne ein Verrutschen sich kreuzender Garnstrangbereiche zu verhindern.
Die carbonfaserverbindenden Brücken können aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet sein. Das Wort Brücke stellt keine Anforderung an die geometrische Form der physischen Verbindung, die durch die carbonfaserverbindenden Brücken geschaffen ist. Eine Brücke kann z.B. durch ein erstarrtes und ggf. carbonisiertes Harztröpfchen gebildet sein, das zwei Carbonfasern physisch verbindet. Als „Kohlenstoffmaterial“ ist ein Material bezeichnet, das einen Massenanteil an Kohlenstoff von mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% aufweist. Die Brücken können vorzugsweise gebildet werden durch Tauchen des unstabilisierten textilen Flächengebildes in ein flüssiges Medium, z.B. ein Kunstharz, das einen Bestandteil mit signifikanter Kohlenstoffausbeute enthält, z.B. Phenolharz, und anschließende Carbonisierung des aus dem flüssigen Medium herausgenommenen textilen Flächengebildes. Das Aufbringen des flüssigen Mediums kann alternativ durch aufsprühen erfolgen. Durch die Carbonisierung wird erreicht, dass auch die carbonfaserverbindenden Brücken aus einem inerten Kohlenstoffmaterial bestehen. Dadurch wird für die Tropfenabscheidung - etwa im Vergleich zur Verwendung von Thermoplastmonofilamenten - eine noch höhere Einsatztemperatur möglich. Im Vergleich zum Thermoplastmonofilament wird außerdem die gewünschte Stabilisierungsfunktion bei gleichzeitig besonders geringem Druckabfall erreicht. Die carbonfaserverbindenden Brücken nehmen sehr wenig Raum ein und steigern den Druckabfall deshalb erwünschtermaßen nur sehr geringfügig. Außerdem ist die spezifische Oberfläche und die Abscheideleistung insgesamt tendenziell höher, als bei Ausführungsformen mit Monofilament, denn das Monofilament hat häufig einen relativ großen Durchmesser und weist eine dementsprechend geringe spezifische Oberfläche auf.
Der das textile Flächengebilde mindestens teilweise umgreifende Korb stützt das textile Flächengebilde von außen. Er schützt zudem vor einer Verschiebung von Bereichen des textilen Flächengebildes auch bei großen Kräften, wie sie bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des durchströmenden Gases und bei der Verwendung engmaschiger textiler Flächengebilde (mit dementsprechend hohen Druckverlusten) auftreten können. Ähnliche Effekte bewirkt auch die im Schichtverbund mit dem textilen Flächengebilde vorliegende Kaschierung, z.B. das CFC-Gitter. Kaschierung und Korb können auch vor Beschädigung des Textils durch vom Gasstrom mitgerissene Festkörperpartikel schützen.
Erfindungsgemäß lassen sich die Stützkomponenten beliebig kombinieren. Die Angabe, dass das erfindungsgemäße carbonfaserhaltige Tropfenabscheidungsmaterial eine Stützkomponente umfassen kann, schließt eine oder mehrere weitere, zusätzlich umfasste Stützkomponenten nicht aus.
Vorzugsweise umfasst die Stützkomponente, z.B. das Stützfilament, ein Metall, ein Polymer, z.B. ein Thermoplast, ein polymerbeschichtetes Metall oder ein Kohlenstoffmaterial. Die Nutzung von Metall oder Thermoplast ermöglichen eine Formgebung, wodurch das erfindungsgemäße carbonfaserhaltige Tropfenabscheidungsmaterial oder der hieraus erfindungsgemäß gebildete Tropfenabscheidungseinsatz insbesondere hinsichtlich des Druckverlustes weiter optimiert werden kann. Dem Fachmann ist bekannt, wie sich Metalle und Thermoplaste in die gewünschte Form bringen lassen.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Metall- und/oder Polymerstützkomponente, z.B. das Metall- und/oder Polymerstützfilament, punktverschweißt ist. Punktschweißen des Metall- und/oder Thermoplaststützfilaments führt zu einer weiteren Stabilisierung des textilen Flächengebildes und wirkt dabei einem Auseinanderrutschen eines geformten, z.B. gewickelten, Tropfenabscheidematerials besonders effizient entgegen.
Das carbonfaserhaltige Garn kann z.B. ein Carbonfasergarn oder ein Hybridgarn sein. Derartiger Garne sind beschrieben in EP 2160072 B1 und EP 0274970 B1 .
Im Hybridgarn sind neben Carbonfasern auch andere Fasern enthalten, z.B. Metallfasern, Polymerfasern, Basaltfasern oder Glasfasern.
Als Stützkomponente des textilen Flächengebildes können beim Hybridgarn aufgefasst werden:

- mit zum Garn verarbeitete, andere Fasern, die eine Stützfunktion übernehmen können; oder
- eine zusätzlich zu diesen anderen Fasern vorliegende Stützkomponente, wie das oben genannte Stützfilament, die oben genannten carbonfaserverbindenden Brücken, der oben genannte, das textile Flächengebilde mindestens teilweise umgreifende Korb, oder die oben genannte, im Schichtverbund mit dem textilen Flächengebilde vorliegenden Kaschierung, z.B. das CFC-Gitter.

Der Carbonfaseranteil des Garns kann z.B. mindestens 10 Gew.-% betragen. Im Allgemeinen sind höhere Carbonfaseranteile, von mindestens 20 Gew.-%, insbesondere mindestens 30 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 50 Gew.-% erfindungsgemäß vorteilhaft. Es wurde gefunden, dass höhere Carbonfaseranteile eine verbesserte Abscheidung auch bei geringem Druckverlust begünstigen. Vermutlich ist dies darauf zurückzuführen, dass die Carbonfasern insbesondere wegen deren geringer Durchmesser der Carbonfasern eine große Oberfläche haben und dadurch die Abscheidung von Tröpfchen begünstigen.
Entscheidend beitragen dürfte hierzu auch das bessere Benetzungsverhalten von Carbonfasern im Vergleich zu Glasfasern. Außerdem sind die Carbonfasern korrosionsbeständiger als die heute eingesetzten Glasfasern.
Der Durchmesser der Carbonfasern des carbonfaserhaltigen Garns beträgt vorzugsweise 2 bis 30 µm, besonders bevorzugt 3 bis 15 µm, z.B. 5 bis 10 µm.
Wenn im Hybridgarn neben Carbonfasern Kunstfasern vorliegen, stabilisieren die Carbonfasern den Kunststoff der Kunstfasern oberhalb von dessen Erweichungstemperatur. Dies stabilisiert die Struktur des textilen Flächengebildes auch oberhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffs, so dass ein Einsatz des Kunststoffs auch oberhalb dessen Erweichungstemperatur möglich wird.
Das carbonfaserhaltige Garn ist ein langes, dünnes, Carbonfasern enthaltendes Gebilde. Die mittlere Zahl der Fasern im Garnquerschnitt kann 10 bis 100.000, insbesondere 20 bis 50.000, vorzugsweise 40 bis 25.000, besonders bevorzugt 100 bis 10.000, z.B. 200 bis 5.000 betragen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist das carbonfaserhaltige Garn ein verzwirntes carbonfaserhaltiges Garn. Das verzwirnte carbonfaserhaltige Garn umfasst mehrere zusammengedrehte Teilstränge. Dem Fachmann ist bekannt, dass das Zwirnen auf lange bekannten Zwirnmaschinen durchgeführt werden kann.
Die Herstellung von Garnen und von textilen Flächengebilden ist dem Fachmann bekannt. Sie ist z.B. ausführlich beschrieben in dem vom Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e. V., in Kooperation mit TEGEWA e. V. herausgegebenen Textheft zur Informationsserie Textilchemie (Erstauflage: Januar 2007); Autoren: Dipl.-Ing. Anka Bode, Dr. Peter Hardt, Dipl.-Ing. Michael Pöhlig, Dr. Wilhelm Rauch, Dr. Volker Schröder, Prof. Dr. Michael W. Tausch, Dipl.-Ing. Wolfgang Tiedemann, Dipl.-Ing. Michaele Uppenkamp, Dr. Annette Vielfort.
Das carbonfaserhaltige Garn kann ein streckgerissenes Carbonfasergarn sein, das in EP 2160072 B1 beschrieben ist. Es kann z.B. nach dem in EP 0274970 B1 beschriebenen Verfahren hergestellt sein. Der Fachmann versteht angesichts der vorliegenden Erfindung, dass sich über die mittlere Faserlänge der streckgerissenen Fasern des Garns (Stapellänge) leicht beeinflussen lässt, in welchem Umfang Carbonfaserenden vom Garn abstehen und in die Fluiddurchtrittsbereiche hineinragen können. Der Fachmann kann die mittlere Faserlänge als einen Parameter heranziehen, um das erfindungsgemäße Tropfenabscheidungsmaterial anwendungsspezifisch zu optimieren. Für vielerlei Anwendungen und insbesondere, wenn die Fluiddurchtrittsbereiche relativ kleinflächig sind, genügt die Tropfenabscheidung auch wenn quasi keine „freien“ Carbonfaserenden in die Fluiddurchtrittsbereich hineinragen. Erfindungsgemäß muss das Garn also kein streckgerissenes Garn sein.
Das carbonfaserhaltige Garn kann z.B. erhältlich sein,

A) durch ein Verfahren, bei dem ein Garn aus Carbonfasern hergestellt wird, oder
B) durch ein Verfahren, bei dem ein Garn aus Vorläuferfasern, z.B. aus oxidierten Polylacrylnitrilfasern, carbonisiert wird.

Das carbonfaserhaltige Garn des textilen Flächengebildes kann aus unterschiedlichsten carbonisierbaren Fasern gebildet sein, unter anderem aus Cellulosefasern, aus cellulosebasierten Fasern wie z.B. Celluloseacetatfasern oder Viskosefasern, aus Polyacrylnitrilfasern, aus oxidierten Polyacrylnitrilfasern, Phenolharzfasern, aus Polyimidfasern, aus Pechfasern, aus Wollfasern oder aus Mischungen davon. Vorzugsweise sind sie gebildet aus Polyacrylnitrilfasern, Viskosefasern und/oder pechbasierte Fasern.
Je nach Faserzusammensetzung kann eine Stabilisierung des textilen Flächengebildes erforderlich sein, bevor es der Pyrolyse unterworfen wird. Bei Polyacrylnitrilfasern erfolgt die Stabilisierung im Allgemeinen bei 200 bis 300 °C an Luft. Die Polyacrylnitrilfasern werden dann zu oxidierten Polyacrylnitrilfasern umgesetzt.
Bei der Herstellung des Garns aus Carbonfasern kann ein Carbonfaserbündel einer Zugspannung ausgesetzt werden, bis die Fasern reißen, um ein Bündel streckgerissener Carbonfasern zu erhalten.
Das Verfahren, bei dem ein Garn aus oxidierten Polylacrylnitrilfasern carbonisiert wird, kann ein Bündel oxidierter Poylacrylnitrilfasern einer Zugspannung ausgesetzt werden, bis die Fasern reißen, um ein Bündel streckgerissener oxidierter Polylacrylnitrilfasern zu erhalten und die streckgerissenen oxidierten Polylacrylnitrilfasern carbonisiert werden. Vorzugsweise werden ein oder mehrere Bündel streckgerissener oxidierte Polyacrylnitrilfasern zunächst zu einem verzwirnten Garn verarbeitet und erst die im Garn vorliegenden, streckgerissenen oxidierten Polyacrylnitrilfasern werden dann carbonisiert.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verläuft das carbonfaserhaltige Garn in Form von Maschen. Von den „Biegungen“ der Maschen stehen Carbonfaserabschnitte und/oder Carbonfaserenden in die vom maschenförmig verlaufenden Garn umgebenen Fluiddurchtrittsbereiche ab. Es wird vermutet, dass die in diese Bereiche hineinragenden Carbonfaserabschnitte und/oder Carbonfaserenden eine Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen begünstigen, da die Diffusionswege für die Tröpfchen kurz sind, gleichzeitigt aber wegen den - durch die Maschen - vorgegebenen, großen Fluiddurchtrittsbereichen ein niedriger Druckabfall gewährleistet werden kann. Das textile Flächengebilde kann dann z.B. ein aus dem carbonfaserhaltigen Garn gebildetes Gestrick sein.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann das textile Flächengebilde jedoch auch ein Gewebe, oder ein Vliesstoff sein.
Die Erfindung betrifft auch einen Tropfenabscheidungseinsatz für einen Tropfenabscheider, aufweisend mehrere Lagen des erfindungsgemäßen carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterials. Die Lagen sind vorzugsweise gestapelt, so dass ein Gasstrom die Lagen nacheinander durchströmt. Dies bewirkt eine hohe Abscheideleistung. Die Abscheideleistung kann überdies anwendungsspezifisch besonders einfach angepasst werden durch die Zahl der Lagen, die Zahl der verarbeiteten Fasern im Tropfenabscheidungsmaterial (es wurden im Ausführungsbeispiel 1 vier Garne mit je 70 tex verwendet, denkbar sind aber auch eine (viel) höhere oder niedrigere Zahl an Garnen mit, z.B. je 100 tex oder 140 tex), durch die Größe der einzelnen Fluiddurchtrittsbereiche und den Anteil der Fluiddurchtrittsbereiche an der Gesamtfläche der textilen Flächengebilde der unterschiedlichen Lagen.
Die Erfindung betrifft zudem einen Tropfenabscheider, aufweisend ein erfindungsgemäßes Tropfenabscheidungsmaterial oder einen erfindungsgemäßen Tropfenabscheidungseinsatz. Vorzugsweise weist der Tropfenabscheider eine Anströmzone und eine Abströmzone auf, die so angeordnet sind, dass ein Gasstrom, aus dem Flüssigkeit abgeschieden werden soll, nur durch das Tropfenabscheidungsmaterial hindurch von der Anströmzone in die Abströmzone gelangen kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterials,

- wobei das carbonfaserhaltige Garn und das Stützfilament, gemeinsam zu dem textilen Flächengebilde verarbeitet, z.B. verstrickt, werden; oder
- wobei das carbonfaserhaltige Garn zu einem textilen Flächenvorgebilde verarbeitet, z.B. verstrickt, wird und daraus durch Kontaktierung des Flächenvorgebildes mit einem flüssigen Medium, das ein carbonisierbares Präkursormaterial enthält, das textile Flächengebilde mit carbonfaserverbindenden Brücken hergestellt wird. „Carbonisierbares Präkursormaterial“ bedeutet, dass von dem Material bei Carbonisierung, d.h. bei Aufheizen von 0 bis 1000°C mit 10K/min unter N₂-Atmosphäre ein Rückstand von mind. 20 Gew.-% bleibt.

Einen weiteren Aspekt der Erfindung bildet die Verwendung eines carbonfaserhaltigen Garns (z.B. in Form des erfindungsgemäßen carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterials, des erfindungsgemäßen Tropfenabscheidungseinsatzes oder des Tropfenabscheiders) zur Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Gasstrom. Die Abscheidung von Flüssigkeit aus dem Gasstrom kann z.B. umfassen,

- die Abscheidung von Flüssigkeit aus einem hochkorrosiven Gasstrom, z.B. aus HF, HCl, HBr, H₂SO₄, oder H₃PO₄ enthaltenden hochkorrosiven Gasströmen, in thermischen Trennprozessen,
- die Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Gasstrom bei Temperaturen von 100 °C oder mehr, oder
- die Abscheidung von Flüssigkeit aus mit Säure belasteten organischen Gasphasen.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiele veranschaulicht, ohne darauf beschränkt zu sein.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterials
3 zeigt einen Querschnitt einer Masche aus 2

Im Foto der 1 sind Maschen des gemäß Ausführungsbeispiel 1 aus einem Polypropylenmonofilament und 4 Carbonfasergarnen (je 70 tex) hergestellten Co-Gestricks gut zu erkennen. Sie definieren Fluiddurchtrittsbereiche zur Durchströmung des Co-Gestricks von der Vorderseite (dem Betrachter zugewandt) zur Rückseite (vom Betrachter abgewandt) des Co-Gestricks. Die Fluiddurchtrittsbereiche befinden sich zwischen umgebenden Abschnitten der entlang der Polypropylenmonofilamente maschenförmig verlaufenden carbonfaserhaltigen Garne. Einzelne Carbonfasern stehen aus dem Garn ab und ragen bis in die Fluiddurchtrittsbereiche hinein.
Der Ausschnitt der 2 zeigt erfindungsgemäßes carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial 1 umfassend ein textiles Flächengebilde 10, hier in Form eines Co-Gestricks aus einem Stützfilament 12-1 und vier Carbonfasergarnen 11, wie in 3 gezeigt. Im Co-Gestrick verläuft jedes Carbonfasergarn 11 entlang des Stützfilaments 12-1 und das Stützfilament 12-1 zusammen mit den vier Carbonfasergarnen 11 in Form von Maschen 17. In dem hier gezeigten Beispiel sind Tropfenabscheidungsmaterial 1 und textiles Flächengebilde 10 identisch. In 2 ist nur ein Fluiddurchtrittsbereich 13 hervorgehoben. Wie die anderen Fluiddurchtrittsbereiche, die in 2 nicht mit Bezugszeichen versehen sind, befindet er sich zwischen umgebenden Abschnitten der entlang des Stützfilaments 12-1 verlaufenden Carbonfasergarnen 11. Von den carbonfaserhaltigen Garnen stehen Carbonfasern ab und ragen bis in die Fluiddurchtrittsbereiche hinein (hier nur gezeigt für den mit Bezugszeichen 13 versehenen Fluiddurchtrittsbereich).
Ausführungsbeispiel 1
Es wurde ein Co-Gestrick aus einem Polypropylenmonofilament und 4 Carbonfasergarnen (je 70 tex) hergestellt. Aus diesem Gestrick wurde ein erfindungsgemäßer Test-Tropfenabscheidungseinsatz geformt (Durchmesser 300 mm, Höhe 70 mm, 110 kg/m³, Zahl der Co-Gestricklagen: 22). 1 zeigt eine Co-Gestricklage dieses Tropfenabscheidungseinsatzes.
Vergleichsbeispiel
Es wurde ein Co-Gestrick aus einem Polypropylenmonofilament und einem Glasfaserfaden (435 tex) hergestellt. Aus diesem Gestrick wurde ein Test-Tropfenabscheidungseinsatz geformt (Durchmesser 300 mm, Höhe 70 mm, 110 kg/m³, Zahl der Co-Gestricklagen: 22). 2 zeigt eine Co-Gestricklage dieses Tropfenabscheidungseinsatzes.
Das Polypropylen-Monofilament-Stützgestrick war in beiden Co-Gestricken gleich und mit einem Polypropylen-Monofilament mit einem Durchmesser von 0,4 mm gebildet.
In einer Prüfkolonne wurden die Leistungsdaten der beiden Test-Tropfenabscheidungseinsätze ermittelt.
Zur Bestimmung des trockenen Druckverlusts wurde der jeweilige Test-Tropfenabscheidungseinsatz mit unterschiedlichen Gasvolumenströmen durchströmt.
Es zeigte sich, dass der trockene Druckverlust des erfindungsgemäßen Tropfenabscheidungseinsatzes deutlich geringer war, als der trockene Druckverlust des zu vergleichszwecken hergestellten Tropfenabscheidungseinsatzes. Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit von ca. 3 m/s lag der Druckverlust des Test-Tropfenabscheidungseinsatzes des Vergleichsbeispiels bei 2 kPa, der des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels jedoch nur bei 1 kPa. Dieser Vorteil des erfindungsgemäßen Test-Tropfenabscheidungseinsatzes war überraschend, da beide Test-Tropfenabscheidungseinsatze im Wesentlichen gleich aufgebaut waren.
Zur Bestimmung des Fraktionsabscheidegrads wurde destilliertes Wasser kontrolliert zerstäubt und in den Gasvolumenstrom injiziert, der durch den jeweiligen Tropfenabscheidungseinsatz geführt wurde. Die Aufnahme des Tropfenspektrums erfolgte durch Laserbeugung bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,4 m/s. Die beiden getesteten Tropfenabscheidungseinsätze zeigten im Wesentlichen dasselbe Tropfenspektrum. Es wurden etwa 70 % aller Tropfen mit einem Durchmesser von 3,5 µm abgetrennt.
Zur Messung des Langzeit Druckverlusts wurde das Abscheidemedium jeweils mit einer konstanten Anströmgeschwindigkeit und mit gleicher Flüssigkeitsbelastung getestet. Der zu Vergleichszwecken hergestellte Tropfenabscheidungseinsatz hatte unter den gewählten Bedingungen einen deutlich höheren Druckverlust (schwankend im Bereich von 900 Pa bis 1150 Pa), als der erfindungsgemäße Tropfenabscheidungseinsatz (konstant im Bereich von 350 bis 400 Pa). Dies zeigt, dass der zu Vergleichszwecken hergestellte Tropfenabscheidungseinsatz schneller geflutet wurde, als der erfindungsgemäße Tropfenabscheidungseinsatz. Durch Wägung zeigte sich, dass der zu Vergleichszwecken hergestellte Tropfenabscheidungseinsatz etwa doppelt so viel Flüssigkeit aufgenommen hatte, als der erfindungsgemäße Tropfenabscheidungseinsatz.
Die Testergebnisse zeigen, dass sich mit dem erfindungsgemäßen carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterial Flüssigkeit mit minimalem Energieaufwand abscheiden lässt, auch ohne eine Richtungsänderung des Gasstromes erzwingen zu müssen. Dies ist am experimentell belegten, erfindungsgemäß besonders geringen Druckverlust und Langzeit Druckverlust zu erkennen, bei gleichzeitig gleichbleibender Abscheideleistung. Im Verfahrensbetrieb bedeutet ein geringer Druckverlust in der Regel eine Energieeinsparung. Da Carbonfasern im Vergleich zu Glasfasern unter vielen Bedingungen weniger korrosionsempfindlich sind, eignet sich die Erfindung insbesondere für den Einsatz in hochkorrosiven Gasströmen.
Ausführungsbeispiel 2
Herstellung eines erfindungsgemäßen carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterials mit carbonfaserverbindenden Brücken:

Zur Herstellung eines nur aus Kohlenstoffmaterialien bestehenden erfindungsgemäßen Tropfenabscheidungsmaterials mit carbonfaserverbindenden Brücken, wurde ein Co-Gestrick aus Carbonfasergarn und Polypropylen-Monofilament durch Tauchen in Phenolharz imprägniert. Im Anschluss wurde das Material bei 900°C in inerter Atmosphäre thermisch behandelt. Dabei hat sich das Stützfilament nahezu restlos zersetzt, das Phenolharzharz hingegen wurde bei dieser Behandlung in eine Kohlenstoffbeschichtung umgewandelt, welche die Garnstränge (über die enthaltenen Carbonfasern) miteinander verbindet, und so die offene Maschenstruktur stützt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/069812 A1 [0003]
DE 19858367 A1 [0004]
DE 112013004287 T5 [0005]
EP 2160072 B1 [0018, 0027]
EP 0274970 B1 [0018, 0027]

Claims

Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) umfassend ein textiles Flächengebilde (10), wobei das textile Flächengebilde (10) ein carbonfaserhaltiges Garn (11) und Fluiddurchtrittsbereiche (13) zur Durchströmung des textilen Flächengebildes (10) von der Vorderseite zur Rückseite des textilen Flächengebildes (10), aufweist.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial nach Anspruch 1, umfassend eine Stützkomponente.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 2, wobei die Stützkomponente ausgewählt ist unter - einem in das textile Flächengebilde (10) eingearbeiteten Stützfilament (12-1), - carbonfaserverbindenden Brücken, - einem das textile Flächengebilde mindestens teilweise umgreifenden Korb, und - einer im Schichtverbund mit dem textilen Flächengebilde (10) vorliegenden Kaschierung, z.B. einem CFC-Gitter.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 2, wobei die Stützkomponente ein Metall, ein Polymer, z.B. ein Thermoplast, ein polymerbeschichtetes Metall oder ein Kohlenstoffmaterial umfasst.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 1, wobei das carbonfaserhaltige Garn (11) ein Carbonfasergarn oder ein Hybridgarn ist.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 1, wobei der Carbonfaseranteil des Garns mindestens 10 Gew.-% beträgt.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 1 wobei das carbonfaserhaltige Garn erhältlich ist, A) durch ein Verfahren, bei dem ein Garn aus Carbonfasern hergestellt wird, oder B) durch ein Verfahren, bei dem ein Garn aus oxidierten Polyacrylnitrilfasern hergestellt und dann carbonisiert wird.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 1, wobei das carbonfaserhaltige Garn in Form von Maschen (17) verläuft.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 3, wobei das Stützfilament (12-1) eine Thermoplastmonofilament umfasst.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 9, wobei das Thermoplastmonofilament ein Polyalkylenmonofilament, vorzugsweise ein Polypropylen-monofilament, oder ein Fluorpolymermonofilament, vorzugsweise ein Polytetrafluorethylenmonofilament, umfasst.
Carbonfaserhaltiges Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach Anspruch 3, wobei die carbonfaserverbindenden Brücken aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet sind.
Tropfenabscheidungseinsatz für einen Tropfenabscheider, aufweisend mehrere Lagen des carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Tropfenabscheider, aufweisend ein Tropfenabscheidungsmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder einen Tropfenabscheidungseinsatz nach Anspruch 12.
Verfahren zur Herstellung eines carbonfaserhaltigen Tropfenabscheidungsmaterials (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, - wobei das carbonfaserhaltige Garn (11) und das Stützfilament (12-1), gemeinsam zu dem textilen Flächengebilde (1) verarbeitet, z.B. verstrickt, werden; oder - wobei das carbonfaserhaltige Garn (11) zu einem textilen Flächenvorgebilde verarbeitet, z.B. verstrickt, wird und daraus durch Kontaktierung des Flächenvorgebildes mit einem flüssigen Medium, das ein carbonisierbares Präkursormaterial enthält, das textile Flächengebilde (1) mit carbonfaserverbindenden Brücken hergestellt wird.
Verwendung eines carbonfaserhaltigen Garns (11) zur Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Gasstrom.