DE2509953A1 - SYSTEM FOR FILTERING SOLID AEROSOLS - Google Patents
SYSTEM FOR FILTERING SOLID AEROSOLSInfo
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Description
GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 24. Februar 1975SOCIETY FOR Karlsruhe, February 24, 1975
KERNFORSCHUNG MBH PLA 7505 Ga/szNUCLEAR RESEARCH MBH PLA 7505 Ga / sz
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Filterung fester Aerosole mittels eines Sandbettes, welches in einem Filtergehäuse angeordnet ist.The invention relates to a system for filtering solid aerosols by means of a sand bed which is arranged in a filter housing is.
Die Filterung von Aerosolen mit Hilfe von Sandbettfiltern ist bekannt (R.A. Juvinall, R.W. Kessie, M.J. Stenidler, ANL-7633). Sie wurde und wird besonders dann eingesetzt, wenn aus lufthygienischen Gründen chemisch aggressive Aerosole abgeschieden werden müssen. Dies ist z.B. der Fall bei Störfällen an natriumgekühlten Reaktoren, wo damit zu rechnen ist, daß größere Mengen heißen Natriums austreten können und diese in Gegenwart von Sauerstoff zu Natriumoxid-Aerosolen verbrennen. Diese Aerosole müssen dann möglichst umfassend durch Filterung beseitigt werden. Zu diesem Zweck werden leistungsfähige Sandbettfilter benötigt.The filtering of aerosols with the aid of sand bed filters is known (R.A. Juvinall, R.W. Kessie, M.J. Stenidler, ANL-7633). It was and is used in particular when chemically aggressive aerosols are separated out for reasons of air hygiene have to. This is the case, for example, in the case of malfunctions in sodium-cooled reactors, where it is to be expected that large amounts of hot sodium will be produced can escape and burn in the presence of oxygen to form sodium oxide aerosols. These aerosols must then if possible can be extensively eliminated by filtering. High-performance sand bed filters are required for this purpose.
609839/041 5609839/041 5
Es sind jedoch keine Sandbettfilter bekannt, die sowohl einen
hohen Abscheidegrad als auch eine hohe Beladbarkeit insbesondere
für chemisch aggressive Aerosole aufweisen.However, there are no known sand bed filters that have both a
high degree of separation as well as a high loading capacity in particular
for chemically aggressive aerosols.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Anlage zu
schaffen, die nicht nur einen guten Druck-und Temperaturnuffer
bildet, sondern auch hervorragende Filtereigenschaften zeigt,
insbesondere sehr gute Abscheidegrade (besser als Faserfilter der Sonderstufe S) und gute spezifische Beladbarkeiten.The object of the invention is now to provide a system
that not only create a good pressure and temperature buffer
forms, but also shows excellent filter properties,
in particular very good degrees of separation (better than fiber filters of special level S) and good specific loadabilities.
Die Lösung dieser Aufgaben besteht erfindungsgemäß darin, daß
das Sandbett in Strömungsrichtung in einzelne Schichten aufgeteilt ist und daß sich der Kornradius des Sandes von Schicht zu
Schicht in Strömungsrichtung verkleinert.The solution to these objects is according to the invention that
the sand bed is divided into individual layers in the direction of flow and that the grain radius of the sand increases from layer to layer
Layer reduced in flow direction.
Da experimentelle Untersuchungen gezeigt haben, daß zwei Anströmungsgeschwindigkeitsbereiche
der Aerosole auf die Filter besonders zu beachten sind, wurde als eine Weiterbildung der Erfindung eine
Anlage geschaffen, bei der bei Anströmgeschwindigkeiten von 2 bis 5 cm/sec die oberste Schicht als Grobfilter zur Aufnahme des
Filterkuchens ausgebildet ist. Als Folge davon, abhängig jedoch
von Korngröße des Filtermaterials und den Aerosolkenngrößen, kann dann als vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung auf eine
oder mehrere der nachfolgenden Schichten verzichtet werden, wobei aber darauf geachtet werden muß, daß die Sandkorngröße dennoch
von Schicht zu Schicht, in Strömungsrichtung gesehen, stetig oder zumindest quasistetig, abnimmt.Since experimental investigations have shown that two areas of the flow velocity of the aerosols on the filter are particularly important, a system was created as a further development of the invention in which the top layer acts as a coarse filter to absorb the at flow velocities of 2 to 5 cm / sec
Filter cake is formed. As a result, dependent on it
of grain size of the filter material and the aerosol parameters, can then be used as an advantageous embodiment of the invention on a
or several of the subsequent layers can be dispensed with, but care must be taken that the grain size of the sand still remains
from layer to layer, viewed in the direction of flow, decreases steadily or at least quasi-continuously.
Ähnliches gilt bei Anströmungsgeschwindigkexten von 0-2 cm/sec, bei denen es als besonders vorteilhaft angesehen werden kann, daß aufgrund der höheren Durchlässigkeit der obersten Schicht erfindungsgemäß eine oder mehrere weitere Schichten in Strömungsrichtung eingefügt werden, wobei wieder auf die stetige bzw. quasistetige Abnahme der Korngröße bzw. des Sandkorndurchmessers geachtet werden muß.The same applies to incident flow velocities of 0-2 cm / sec, at which it can be regarded as particularly advantageous that due to the higher permeability of the top layer, according to the invention, one or more further layers in the direction of flow are inserted, again paying attention to the constant or quasi-constant decrease in the grain size or the sand grain diameter must become.
6Q9839/Q4156Q9839 / Q415
sisi
Die besonderen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß je nach Schichtungsfolge und Material ein Abscheidegrad q = 99,97The particular advantages of the invention can be seen in the fact that, depending on the layering sequence and material, a degree of separation q = 99.97
2 erreicht wird. Die Beladbarkeit liegt bei mindestens 300 g/m Anströmfläche.2 is reached. The load capacity is at least 300 g / m Inflow area.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Figuren'1 bis 3 und der Tabellen 1 und 2 näher erläutert. The invention is illustrated below with the aid of two exemplary embodiments explained in more detail by means of FIGS. 1 to 3 and Tables 1 and 2.
Als Ausführungsbeispiele wurden zwei charakteristische Sandbettschüttungen ausgesucht, die sich aus vielen Einzelversuchen als die zweckmäßigsten ergaben. Die eine Schüttung I ist eine relativ offene Struktur für Gasgeschwindigkeiten von 2-5 cm/sec und die andere Schüttung II ist verhältnismäßig dicht gepackt und eignet sich für Gasgeschwindigkeiten von 0-2 cm/sec. Hierbei wurde das Sandbett 1 (siehe Figur 1) in einem rechteckigen Gehäuse 2 angeordnet. Die Strömungsrichtung erfolgt von oben und ist durch den Pfeil 9 gekennzeichnet. Die einzelnen Schichten (es können beliebig viele sein) sind mit 1a,b, 2a ,b, 2c und 3 bezeichnet. Das Gehäuse weist an seinem unteren Ende 4 einen Abgangsstutzen 5 auf, durch den das gefilterte Gas (siehe Pfeilrichtung 6) abgeführt wird. Die Stützschicht 3 ist möglichst grobkörnig bzw. durchlässig und liegt auf dem Sieb 7 auf. Unterhalb des Siebes 7 und des Bodens 4 ist ein Zwischenraum 8 gebildet, der als Sammelraum für die Gase dient. Die oberste Schicht 1a ergibt sich durch eine optimale Abschätzung zwischen Durchlässigkeit und Beladbarkeit. Sie dient als Grobfilter zur Aufnahme des Filterkuchens (ca. 90 % und mehr der ankommenden Aerosole) bei Anströmgeschwindigkeiten von mehr als 2 cm/sec.Two characteristic sand bed embankments were used as examples selected, which resulted from many individual tests as the most appropriate. One bulk I is a relative one open structure for gas velocities of 2-5 cm / sec and the other bed II is relatively tightly packed and suitable gas velocities of 0-2 cm / sec. Here, the sand bed 1 (see FIG. 1) was placed in a rectangular housing 2 arranged. The direction of flow is from above and is indicated by arrow 9. The individual layers (it can can be any number) are labeled 1a, b, 2a, b, 2c and 3. At its lower end 4, the housing has an outlet connection 5 through which the filtered gas (see arrow direction 6) is discharged will. The support layer 3 is as coarse-grained or permeable as possible and rests on the sieve 7. Below the sieve 7 and a space 8 is formed in the bottom 4 which serves as a collecting space for the gases. The top layer 1a results from an optimal estimate between permeability and loadability. It serves as a coarse filter to hold the filter cake (approx. 90% and more of the incoming aerosols) at flow velocities of more than 2 cm / sec.
Es wurden der Druckanstieg am Sandbettfilter 1 während der Beladung als Funktion der spezifischen Beladung B und die gesamte, integrale Filterdurchlässigkeit P„öO als Funktion der Anströmge-The pressure increase on the sand bed filter 1 during the loading was determined as a function of the specific loading B and the total, integral filter permeability P "öO as a function of the flow rate.
CJ6SCJ6S
schwindigkeit ν des Gases gemessen. Das Ergebnis der Messungenspeed ν of the gas measured. The result of the measurements
609839/0 415609839/0 415
ist in Figur 2 dargestellt. Es ist aufgetragen der Druckanstieg 4 ρ in nun BS am Sandbettfilter 1 als Funktion der spezifischenis shown in FIG. The pressure rise 4 ρ in now BS at the sand bed filter 1 is plotted as a function of the specific
Beladung B in g/m für drei Anströmgeschwindigkeiten ν von s οLoading B in g / m for three approach velocities ν of s ο
0,88 , 2,2 und 4,4 cm/sec. Es ist ein stetiger Anstieg der Kurven K- bis K. mit der spezifischen Beladung B zu erkennen. Die spezifische Beladung B ist etwa linear proportional zur Zeit, so daß der Druckanstieg Δ ρ aufgetragen über der Zeit qualitativ den gleichen Verlauf wie in Figur 2 zeigt. Die zwei Kurven K1 und K~ für ν gleich 0,88 cm/sec entsprechen Untersuchungen bei den noch zu beschreibenden Schüttungen I und II.0.88, 2.2 and 4.4 cm / sec. A steady increase in curves K- to K. with the specific loading B can be seen. The specific loading B is approximately linearly proportional to time, so that the pressure increase Δ ρ plotted over time shows qualitatively the same course as in FIG. The two curves K 1 and K ~ for ν equal to 0.88 cm / sec correspond to investigations for the beds I and II to be described below.
Für die modellmäßige Deutung des Kurvenverlaufs der Kurven K1 bis K. in der Figur 2 wird von Beobachtungen ausgegangen. Es wird angenommen, daß die Strömungsverhältnisse von Sandbettfiltern im laminaren Strömungsbereich sehr gut durch das Hagen-Poiseuille'sche Gesetz beschrieben werden können. Das Hagen-Poiseuille'sche Gesetz für Uv etwa gleich lange und gleich dicke Kapillaren hat die Form gemäß der Formel 1For the model-based interpretation of the curve shape of the curves K 1 to K. in FIG. 2, observations are assumed. It is assumed that the flow conditions of sand bed filters in the laminar flow range can be described very well by the Hagen-Poiseuille law. The Hagen-Poiseuille law for U v capillaries of approximately the same length and thickness has the form according to formula 1
80 η L V
P = Jf (mm WS) (D80 η LV
P = Jf ( mm WS) (D
N E T NE T
K fe KapK fe chap
Hierbei ist η die Zähigkeit des Luft-Aerosolgeraisches , L die Länge der Kapillaren, V der Durchfluß = V = F vo, F die Filteranströmfläche, N die Zahl der Kapillaren über dem Querschnitt F,Here, η is the viscosity of the air-aerosol device, L the length of the capillaries, V the flow rate = V = F v o , F the filter inflow area, N the number of capillaries over the cross-section F,
ί ti
g die Erdbeschleunigung und *Kap der zeitlich veränderliche
Kapillarenradius.ί ti
g is the acceleration due to gravity and * cape is the capillary radius that changes over time.
Durch die Aerosolbeladung ändert sich der Kapillarenradius rR l mit der Zeit. Unter Beachtung der Abscheidemechanismen, wie Diffusion und Impaktion in einer gebogenen Kapillaren, wird gezeigt, daß der zeitveränderliche Kapillarenradius in etwa dem Zeitgesetz gemäß der Formel (2) folgtDue to the aerosol loading, the capillary radius r R l changes over time. Taking account of the separation mechanisms, such as diffusion and impaction in a curved capillary, it is shown that the time-varying capillary radius roughly follows the law of time according to formula (2)
hü 9HIiH/IU 1 5hü 9HIiH / IU 1 5
ΤΓ>ΤΓ>
Somit wird für Formel (1) schließlich die Formel (3)Thus, the formula (3) finally becomes for formula (1)
P - CeBt P - Ce Bt
erhalten. Hierbei ist C eine Konstante und B die Verstopfungskonstante. obtain. Here, C is a constant and B is the clogging constant.
Ein weiteres Ergebnis dieser Modellbetrachtung ist, daß die Größe B (Verstopfungskonstante) in Formel 2 und 3 quadratisch mit der Anströmgeschwindigkeit ν ansteigt. In Figur 3 sind die experimentell ermittelten B-Werte aufgetragen als Kurve K- über der Anströmgeschwindigkeit ν . Die Größe B wird darin mit dem Faktor 1000 multipliziert und in der Dimension see angegeben. Durch die auf abfallende Aerosolkonzentration korrigierten B-Werte ist eine Parabel als Kurve Kß mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate eingezeichnet. Daraus ist ersichtlich, daß tatsächlich annähernd eine quadratische Abhängigkeit von B über ν besteht. Die gemessenen B-Werte setzen sich aus einem Term B1 und einem Term B0 zusammen. Ersterer ist unabhängig von ν , scheint also dem Abscheidemechanismus der Interzeption (Haftenbleiben der Teilchen an den Sandkörnchen) äquivalent zu sein, da dieser geschwindigkeitsunabhängig ist, der zweite Term B nimmt jedoch ähnlich dem Abscheidemechanismus der Impaktion (Trägheitsabscheidung) mit der Anströmgeschwindigkeit ν zu.Another result of this model observation is that the quantity B (clogging constant) in formulas 2 and 3 increases quadratically with the flow velocity ν. In FIG. 3, the experimentally determined B values are plotted as curve K- over the flow velocity ν. The size B is multiplied by the factor 1000 and given in the dimension see. With the B values corrected for the falling aerosol concentration, a parabola is drawn in as curve K ß using the least squares method. From this it can be seen that there is actually an approximately quadratic dependence of B over ν. The measured B values are composed of a term B 1 and a term B 0 . The former is independent of ν, so it seems to be equivalent to the separation mechanism of interception (adherence of the particles to the grains of sand), since this is independent of the velocity, but the second term B increases with the approach velocity ν, similar to the separation mechanism of impaction (inertial separation).
Da die Messungen bei Reynoldszahlen von etwa 1 bis 10 vorgenommen wurden, versagen praktisch alle bekannten Filtertheorien. Diese gelten nur für Re-Zahlen NR < 1,0, also im viskosen Fluß-Since the measurements were made at Reynolds numbers of around 1 to 10, practically all known filter theories fail. These only apply to Re numbers N R <1.0, i.e. in the viscous flow
B 0 9 8 3 9 / U k 1 5B 0 9 8 3 9 / U k 1 5
gebiet oder für Re-Zahlen NR j> 150, also im potentiellen Flußgebiet aber nicht in dem Zwischenbereich, in dem die vorliegenden Experimente ausgeführt werden. Damit ist die Einführung des Kapil larmodells gerechtfertigt, welches voraussetzt, daß es sich um laminare Strömung in annähernd definierbaren Kapillaren handelt.area or for Re numbers N R j> 150, i.e. in the potential river area but not in the intermediate area in which the present experiments are carried out. This justifies the introduction of the capillary model, which assumes that the flow is laminar in approximately definable capillaries.
Als Ergebnis dieser Untersuchungen und Experimente wird erfindungsgemäß für die FiI-die Formel 4 gefunden.As a result of these studies and experiments, the present invention for the FiI-the formula 4 found.
dungsgemäß für die Filterdurchlässigkeit P einer Filterschichtaccording to the filter permeability P of a filter layer
Cj w SCj w S
2 22 2
,KT-6-f 2 pa g 5 pa c coll pab pa O x _, KT-6-f 2 pa g 5 pa c coll pa b pa O x _
5 77*· r · ν y ν ^ c ητΊΊ 5 77 * r ν y ν ^ c ητ ΊΊ
pa ο ο l coilpa ο ο l coil
wobei mit K die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur,where K is the Boltzmann constant, T the absolute temperature,
r der Aerosolpartikelradius, γ die Aerosolpartikeldichte, pa -* par is the aerosol particle radius, γ the aerosol particle density, pa - * pa
£ die Porosität, r .... der Sandkollektorradius, L die Kapillarlänge, ν die Anströmgeschwindigkeit und 6,7<f = r ,./r < 10 ist. Die einzelnen Komponenten des Exponenten stellen dabei die Diffusionsabscheidung, die Sedimentationsabscheidung und die Impaktionsabscheidung dar. Die Formel 4 gilt streng genommen nur dann, wenn Trägheit und Diffusion bzw. Sedimentationsabscheidung unabhängig voneinander erfolgen. Andernfalls muß noch ein Wechselwirkungsterm berücksichtigt werden. £ the porosity, r .... the sand collector radius, L the capillary length, ν the flow velocity and 6.7 <f = r,. / R <10. The individual components of the exponent represent the diffusion separation, the sedimentation separation and the impaction separation. Strictly speaking, formula 4 only applies if inertia and diffusion or sedimentation separation occur independently of one another. Otherwise, an interaction term must also be taken into account.
In der Tabelle 1 sind die Meßergebnisse für die Schüttungen I und II wiedergegeben.Table 1 shows the measurement results for beds I and II.
609839/041.5609839 / 041.5
Ibf1.1
Ibf
1 : 3100 kg 2 / -Λ / 11
1: 3
1 : 3200 kg 0 / 0.6 / 0.6'2
1: 3
1 : 3200 kg 0 / 0.6 / 0.6 / 2
1: 3
Oben in der Tabelle ist als Parameter der Durchfluß V für die Schüttung I mit 400, 1000, 1500 und 2000 l/min und für die Schüttung II mit 400, 550, 770 und 1000 l/min eingezeichnet. In beiden Teilen sind die Filterdurchlässigkeit P und die spezifische Beladbarkeit Bg wiedergegeben. Bei der Schüttung I entfällt die Schicht 2c. Hinter den einzelnen Schichten 1a, 1b, 2a, 2b, 2c und 3 steht jeweils die Menge Sand in kg pro 0,76 m2 Filterquerschnitt der jeweiligen Schicht und das Maß für die Sandkorndurchmesser, also für die Schicht 1a und 1b 2 - 5 mm bzw. für die Schicht 2b eine Mischung von 1 : 3 für Sandkörnchendurchmesser von 0-0,6 mm und 0,6 - 2. mm. Ähnliches gilt für das Mischverhältnis der Schicht 1a bzw. 2b der Schüttung II, worin Körnchendurchmesser bis zu 11 mm Größe vorgesehen sind.At the top of the table, the flow rate V for bed I is shown at 400, 1000, 1500 and 2000 l / min and for bed II at 400, 550, 770 and 1000 l / min. The filter permeability P and the specific loading capacity B g are shown in both parts. In the case of bed I, layer 2c is omitted. Behind the individual layers 1a, 1b, 2a, 2b, 2c and 3 is the amount of sand in kg per 0.76 m 2 filter cross-section of the respective layer and the measure for the sand grain diameter, i.e. for layers 1a and 1b 2 - 5 mm or for layer 2b a mixture of 1: 3 for sand grain diameters of 0-0.6 mm and 0.6-2 mm. The same applies to the mixing ratio of layer 1a or 2b of bed II, in which grain diameters of up to 11 mm are provided.
bü9839/u415bü9839 / u415
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
Aus der Tabelle 1 ist zu entnehmen, daß die Filterdurchlässigkeit P der Schüttung II gegenüber der Schüttung I wesentlich durch die Schicht 2c verbessert wird. Die Beladbarkeiten B sindFrom Table 1 it can be seen that the filter permeability P of bed II compared to bed I is significant is improved by the layer 2c. The loadabilities B are
etwa bei beiden Schüttungen gleich. Weiterhin erreicht B beiabout the same for both beds. Furthermore, B reached at
etwa 1000 l/min ein Maximum. Die Durchlässigkeiten haben auch bei etwa 1000 l/min = 2,2 cm/see ein Maximum.about 1000 l / min a maximum. The permeabilities also have a maximum at around 1000 l / min = 2.2 cm / see.
Schichtungsfolge Gewicht/Filterquerschnitt Schichthöhe SandkorndurchresserLayering sequence Weight / filter cross-section Layer height Sand grain penetration
TJt, /TJt, /
Um ein leistungsfähiges Sandbettfilter zu erhalten, sollten die Schichten hinsichtlich des spezifischen Schüttungsgewichtes und der Schütthöhe innerhalb der in Tabelle 2 angegebenen Grenzen liegen. Der Sandkorndurchraesser ist dabei der Medianwert entsprechender log-Normalverteilung und die spezifische Schüttung ist der Quotient aus Gewicht zu Filterquerschnitt. Alle Messungen wurden bei einer relativen Feuchtigkeit von < 20 % aufgenommen.In order to obtain a high-performance sand bed filter, the layers should be within the limits given in Table 2 with regard to the specific bulk weight and the bulk height. The sand grain diameter is the median value of the corresponding log-normal distribution and the specific bed is the quotient of weight to filter cross-section. All measurements were taken at a relative humidity of <20%.
U 9 B 3 U / ü A 1 5U 9 B 3 U / ü A 1 5
Claims (2)
in einzelnen Schichten (1a - 3) aufgeteilt ist und daß sich
der Kornradius des Sandes von Schicht zu Schicht in Strömungsrichtung (3, 6) verkleinert. J System for filtering solid aerosols by means of a sand bed which is arranged in a filter housing, characterized in that the sand bed (1) in the direction of flow (3, 6)
is divided into individual layers (1a - 3) and that
the grain radius of the sand is reduced from layer to layer in the direction of flow (3, 6).
ausgebildet ist.2. Plant according to claim 1, characterized in that the top layer (1 a) as a coarse filter for receiving the filter cake
is trained.
oberste und die. nachfolgenden Schichten (1 - 2c) zur Aufnahme
des nicht vom Filterkuchen aufgenommenen Restanteils der Aerosole dienen und auf einer möglichst durchlässigen Stützschicht (3) aufliegen.3. Plant according to claim 1 and 2, characterized in that the
supreme and the. subsequent layers (1 - 2c) for inclusion
serve for the remaining part of the aerosols not absorbed by the filter cake and rest on a support layer (3) that is as permeable as possible.
tung von 130 bis 400 kg/m , eine Schichthöhe von 10 - 30 cm2
from 130 to 400 kg / m, a layer height of 10 - 30 cm
60 kg/m bei Schichthöhen von 10 - 20, 4,5 - 9, mindestens2
60 kg / m with layer heights of 10 - 20, 4.5 - 9, at least
260 kg/m bei Schichthöhen von 10 - 20, 4,5 - 9 und mindestens 16 cm und Sandkorndurchmessern von 2,9 , 1,52 und 0,37 mm besitzen.2
260 kg / m with layer heights of 10 - 20, 4.5 - 9 and at least 16 cm and sand grain diameters of 2.9, 1.52 and 0.37 mm.
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