DE2657939C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserbettabscheider gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Faserbettabscheider finden verbreitet Anwendung zum Abscheiden von äußerst feinen Aerosolen mit Teilchengrößen von weniger als 3 µm, insbesondere weniger als 1 µm, aus einer Gas- oder Dampfströmung, im folgenden als Gasströmung bezeichnet. Faserbetten mit Fasern von bis zum 20 µm Durchmesser haben beim Abscheiden von Aerosolen mit Teilchengrößen bis zu 3 µm eine besonders hohe Wirksamkeit von beispielsweise 98 bis 99,9%. Für die Behandlung von Aerosole enthaltenden Gasen bei höheren Durchströmungsgeschwindigkeiten von etwa 91,4 m/min und darüber werden dickere Fasern mit Durchmessern von beispielsweise 25 bis 50 µm verwendet, wobei die Wirksamkeit der Abscheidung zwar verringert ist, gleichwohl jedoch 85% bis 95% erreichen kann. Ein häufiges Anwendungsgebiet betrifft das Abscheiden von Säure-, beispielsweise Schwefelsäurenebeln bei der Herstellung von Säuren, von Nebeln eines Plastifizierungsmittels bei der Herstellung etwa von Boden- und Wandverkleidungen aus Polyvinylchlorid, oder von wasserlöslichen Feststoff-Aerosolen etwa aus den Abgasen von Sprühtürmen für die Aufbereitung von Ammoniumnitrat. Bei der Abscheidung von wasserlöslichen Feststoff-Aerosolen werden die abgeschiedenen Teilchen innerhalb des Faserbetts in einer Flüssigkeit gelöst, indem das Bett berieselt oder die Flüssigkeit, etwa Wasser, an der Zuströmseite des Betts in der Gasströmung versprüht wird.

Ein gewisses Problem ist häufig bei Faserbettabscheidern die erneute Mitnahme der ausgeschiedenen Flüssigkeit an der Abströmseite des Betts. Setzt sich das Aerosol in dem behandelten Gas aus Teilchen mit Abmessungen von weniger als einem bis zu einigen Mikron zusammen, so werden an der Abströmseite des Betts Teilchen mitgenommen, welche innerhalb des Betts zu einer beträchtlich größeren Durchschnittsgröße zusammengeflossen sind. Diese erneut mitgenommenen Teilchen müssen an der Abströmseite in irgend einer Weise aufgehalten werden. Weit größere Schwierigkeiten bieten jedoch größere Mengen von erneut mitgenommenen Teilchen mit Abmessungen von weniger als einem bis zu einigen wenigen Mikron, deren Entfernung an der Abströmseite wesentlich schwieriger ist als die der größeren Teilchen oder Tröpfchen. Diesen Schwierigkeiten wird bisher auf verschiedene Weise begegnet.

Häufig wird an der Abströmseite ein Prallblech verwendet, welches die Strömung des Gases umlenkt, während die eine größere Masse aufweisenden Teilchen am Prallblech aufschlagen und daran abwärts fließen. Dazu müssen die Teilchen jedoch eine ausreichende Größe bzw. Masse haben, daß sie aufgrund ihrer Trägheit am Prallblech aufschlagen anstatt der Strömung um das Prallblech herum zu folgen. Kleinere Teilchen mit Größen von weniger als etwa 3 µm neigen aufgrund ihrer geringen Masse dazu, der Gasströmung um das Prallblech herum zu folgen.

Häufig wird an der Abströmseite auch ein zusätzliches Sieb oder Filter verwendet. Um einen erhöhten Druckabfall und damit einen erhöhten Kraftbedarf für die Bewegung des Gases zu vermeiden, hat jedoch ein solches Sieb oder Filter gewöhnlich große Faserdurchmesser, niedrige Packungsdichte und geringe Tiefe, so daß wiederum nur die größeren Teilchen mit einigermaßen hohem Wirkungsgrad abgefangen werden.

Ein weiteres Verfahren, die erneute Mitnahme von Teilchen gänzlich zu vermeiden, besteht darin, daß die Gasströmung durch das Faserbett und/oder Aerosolbelastung so niedrig gehalten wird, daß die Menge der erneut mitgenommenen Teilchen innerhalb zulässiger Grenzen bleibt. Bei vielen herkömmlichen Faserbettabscheidern werden daher die oberen Grenzen der Durchströmungsgeschwindigkeit und der Aerosolbelastung für die Konstruktion zugrundegelegt. Dabei muß das Faserbett in der quer zur Gasströmung liegenden Ebene verhältnismäßig große Abmessungen aufweisen, wodurch sich die Anlagekosten pro Volumeneinheit des zu behandelnden Gases entsprechend erhöhen.

Aus der US-PS 32 08 205 ist ein Faserbettabscheider der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein als Grobfilter dienendes anströmseitiges Faserbett mit einem als Feinfilter dienenden abströmseitigen Faserbett in unmittelbarer Berührung steht. Im Grobfilter werden große Tröpfchen abgeschieden, und im Feinfilter wird der Restanteil so aufgestaubt, daß die Flüssigphase im Bereich der Grenzschicht zwischen den beiden Faserbetten angesammelt wird und nach unten abläuft.

Zur Verhinderung der Tröpfchenmitnahme am Ende des abströmseitigen Faserbettes ist dort zusätzlich ein Mullfilter vorgesehen.

Aus der US-PS 38 02 160 ist eine ähnliche Anordnung bekannt, bei der auf der Abströmseite ein Grobfilter aus offenzelligem Schaumstoff vorgesehen ist, der mit einem als Feinfilter dienenden Faserbett in Berührung steht.

In der US-PS 30 66 462 wird ein Faserbettabscheider beschrieben, bei der zwei waagerechte Faserbetten in Abstand zueinander in einer aufwärts gerichteten Gasströmung angeordnet sind. Das untere Faserbett wird im gesättigten Zustand betrieben und dient zum Auffangen feinerer Tröpfchen. An der oberen Oberfläche dieses Faserbetts werden durch die Gasströmung größere Tröpfchen abgelöst, die dann in dem oberen, abströmseitigen Faserbett aufgefangen werden. Auch bei dieser Anordnung ist jedoch das Problem der Tröpfchenmitnahme am Ende des abströmseitigen Faserbetts nicht zufriedenstellend gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserbettabscheider der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art derart auszubilden, daß die Mitnahme insbesondere auch kleinerer Aerosolteilchen auch bei höheren Durchströmungsgeschwindigkeiten verhindert wird, ohne daß ein erhöhter Druckabfall in Kauf genommen werden muß.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben, die insbesondere die Abscheidung von Aerosolteilchen mit Abmessungen von weniger als einem Mikron mit einem hohen Wirkungsgrad bzw. aus großen Gasmengen und bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ermöglichen.

Bei einem erfindungsgemäßen Faserbettabscheider sind der mittlere Faserdurchmesser und das Hohlraumvolumen der stromaufwärtigen ersten Lage des Faserbetts so aufeinander abgestimmt, daß bei der Soll-Durchströmungsgeschwindigkeit das Rückhaltevermögen für die Flüssigkeit gegenüber der Gasströmung kleiner ist als gegenüber dem Abfluß der Flüssigkeit durch Schwerkraft. Bei der zweiten, abströmseitigen Lage sind das Hohlraumvolumen und der mittlere Faserdurchmesser so abgestimmt, daß das Rückhaltevermögen für die Flüssigkeit gegenüber der Gasströmung größer ist als gegenüber dem Abfluß der Flüssigkeit durch Schwerkraft. Beide Lagen sind bei der Soll-Durchströmungsgeschwindigkeit und Soll-Aerosolbelastung mechanisch stabil. Die beiden Lagen des Faserbettes sind senkrecht angeordnet und stehen miteinander in inniger Berührung. Das Gas wird im wesentlichen waagerecht durch die erste und zweite Lage hindurchgeleitet. Dabei wird die in der ersten Lage abgeschiedene Flüssigkeit durch die Gasströmung zur Grenzfläche zwischen den beiden Lagen mitgenommen, und der größte Teil der Flüssigkeit fließt unter dem Einfluß der Schwerkraft an der Grenzfläche oder im stromaufwärtigen Bereich der zweiten Lage ab.

Die Bestimmung der Faserdurchmesser und/oder des Hohlraumvolumens des Betts zur Erzielung der mechanischen Stabilität und zur Vermeidung des Vollsaugens ist in bekannter Weise durchführbar. Je kleiner der mittlere Faserdurchmesser, um so kleiner muß gewöhnlich auch das Hohlraumvolumen, d. h., um so größer muß die Packungsdichte des Betts sein. Ein Faserbett ist im Sinne der Erfindung mechanisch stabil, wenn es bei der Abscheidung von Aerosolen bei der Soll-Geschwindigkeit nicht zu größeren Verlagerungen der Fasern kommt, welche die vorgesehene Leistungsfähigkeit nennenswert beeinträchtigen oder zu örtlichen Verdichtungen der Fasern führen, welche der Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases einen erhöhten Widerstand entgegensetzen würden.

Die Dicke oder Tiefe der ersten und zweiten Lagen in der zur Gasströmung parallelen Ebene ist nicht von kritischer Bedeutung, da der größte Teil der Aerosole gewöhnlich schon in den ersten 25 bis 50 mm der ersten Faserlage abgeschieden wird, obgleich zur Erzielung einer erhöhten Wirksamkeit gewöhlich Lagen mit einer Tiefe von 100 mm und darüber verwendet werden. Ein wirksames Abfließen aus der zweiten Faserlage ist bereits bei einer Tiefe derselben von 1,2 cm erzielbar, obgleich Lagen mit einer Tiefe von 5,1 oder 7,6 cm erfolgreich verwendet werden können. Die einzige obere Begrenzung für die Tiefe der Lagen ist durch den zulässigen Druckabfall im Faserbett gegeben, da ein hoher Druckabfall einen erhöhten Kraftaufwand zum Bewegen des Gases erfordert. Die Tiefe der Lagen wird daher im Hinblick auf den gewünschten Wirkungsgrad der Abscheidung sowie auf den Faserdurchmesser und das Hohlraumvolumen so bestimmt, daß sich ein möglichst geringer Druckabfall ergibt.

Das Rückhaltevermögen einer Faserlage und seine Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit eines Faserbetts ist für das Verständnis der Erfindung von wesentlicher Bedeutung.

Der Ausdruck Rückhaltevermögen bezeichnet die Höchstmenge einer gegebenen Flüssigkeit, welche ein gegebenes Faserbett unter gegebenen Bedingungen zurückzuhalten vermag, ohne daß irgendwelche Flüssigkeit, es sei denn durch die Verdunstung, aus dem Faserbett austritt. Das Rückhaltevermögen ändert sich mit der Art der Flüssigkeit, der Art der Fasern, dem Faserdurchmesser und der Packungsdichte des Betts sowie ferner in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen es gemessen wird.

Im Rahmen der Erfindung interessiert das Rückhaltevermögen eines Faserbetts in bezug auf zweierlei Bedingungen, nämlich das Rückhaltevermögen (Rv) gegenüber einem das Bett mit der Soll-Geschwindigkeit durchströmenden Gas, und das Rückhaltevermögen (Rg) gegenüber der Schwerkraft. Das Rückhaltevermögen bestimmt also unter der einen oder anderen Bedingung die Aufnahme einer Höchstmenge der Flüssigkeit durch das Bett, bei welcher die auf die Flüssigkeit einwirkende Kraft, d. h. also in einem Fall der Widerstand gegenüber der Gasströmung und im anderen Fall die Schwerkraft, von den die Flüssigkeit im Faserbett festhaltenden Kräften gerade ausgeglichen wird. Theoretisch erscheint es zwar so, daß Rv niemals größer sein könne als Rg, die Erfindung und die nachstehend erläuterten Untersuchungsverfahren ermöglichen jedoch die Bestimmung von Rv unter Vermeidung des Abflusses unter Schwerkrafteinfluß und der sich daraus ergebenden Einflüsse auf ein Versuchsbett.

Das Rückhaltevermögen eines Faserbetts ist nicht mit einer Sättigung desselben zu verwechseln, bei welcher eine aufgenommene Flüssigkeit die zwischen den Fasern vorhandenen Hohlräume mehr oder weniger vollständig ausfüllt. Das Rückhaltevermögen beruht vielmehr auf Kapillarwirkung und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und bezieht sich deshalb auf eine wesentlich geringere Flüssigkeitsmenge als die Sättigung des Faserbetts.

Dementsprechend werden die Parameter der ersten und zweiten Lagen des erfindungsgemäßen Faserbetts auf der Grundlage der Durchströmung, etwa in m³/min, des zu behandelnden Gases, der Art, Menge und Teilchengrößen des in dem Gas enthaltenen Aerosols und des gewünschten Wirkungsgrads der Abscheidung, des Druckabfalls und der Durchströmungsgeschwindigkeit in folgender Weise bestimmt:

Nach der Stabilisierung des Betriebs bei der Soll-Durchströmungsgeschwindigkeit und -menge ist die von der ersten Faserlage aufgenommene Flüssigkeitsmenge, ausgedrückt etwa als Gewicht der Flüssigkeit, bezogen auf die Gewichtseinheit der Fasern in der Lage oder auf die Volumeneinheit der Lage, nicht ausreichend, daß die Flüssigkeit unter Schwerkrafteinfluß aus der ersten Lage abfließt, reicht jedoch aus, daß die aufgenommene Flüssigkeit von der Gasströmung zur Abströmseite der ersten Lage transportiert wird. Der Ausdruck "stabiler Betrieb" bezeichnet hier einen Zustand, bei welchem die Menge des in das Faserbett eindringenden Aerosols gleich der aus dem Faserbett abfließenden Flüssigkeitsmenge ist.

In der zweiten Faserlage, welche im wesentlichen dazu dient, die erneute Mitnahme der abgeschiedenen Flüssigkeit an der Abströmseite der ersten Lage zu verhindern, herrschen im Hinblick auf das Rückhaltevermögen gegenüber der Gasströmung bzw. der Schwerkraft genau die umgekehrten Verhältnisse. Die Rückhaltekraft ist gegeüber der Schwerkraft kleiner als gegenüber der Gasströmung, so daß die Flüssigkeit unter Schwerkraftwirkung abfließt.

Bei dem erfindungsgemäßen Faserbettabscheider braucht also weder die Durchströmungsgeschwindigkeit übermäßig niedrig gehalten zu werden, um eine erneute Mitnahme der Flüssigkeit zu vermeiden, noch sind abströmseitige Hilfseinrichtungen zum Abscheiden von erneut mitgenommenen Teilchen notwendig. Die Erfindung ermöglicht somit die Konstruktion von Faserbettabscheidern für in verschiedenster Weise mit Aerosolen befrachtete Gasströme ohne übermäßige Berücksichtigung des Problems der erneuten Mitnahme, wobei solche Faserbettabscheider für höhere Durchströmungsgeschwindigkeiten als anderenfalls anwendbar ausgelegt werden können.

Das Rückhaltevermögen des Faserbetts gegenüber einer Gasströmung und gegenüber der Schwerkraft wird gemäß der Erfindung in folgender Weise bestimmt:

Nach Auswahl des für den vorgesehenen Zweck am besten geeigneten Fasermaterials aufgrund geläufiger Überlegungen werden der günstige Faserdurchmesser und die zweckmäßige Packungsdichte, bezogen auf ein Hohlraumvolumen von ca. 85 bis 98% für die erste Faserlage anhand der für bekannte Faserbettabscheider gebräuchlichen Parameter näherungsweise bestimmt. Darauf kann dann das Rückhaltevermögen gegenüber sowohl der Schwerkraft als auch der Gasströmung in folgender Weise bestimmt und berechnet werden, vorzugsweise in Form der in Fig. 1 dargestellten Kurven für verschiedene Packungsdichte der Fasern.

Ein etwa 254 mm langes Glasrohr mit einem gleichmäßigen Innendurchmesser von etwa 25,4 mm wird bis zu einer Höhe von etwa 203 mm in möglichst gleichmäßiger Packungsdichte mit den gewählten Fasern gefüllt. Die Fasermenge ergibt sich aus der Beziehung

worin

W =Fasermenge (g) d =Innendurchmesser des Glasrohrs (mm) L =Höhe des Faserbetts (cm × 0,394) Dp =Packungsdichte (kg/m³ × 16,02) Sf =spezifisches Gewicht des Fasermaterials bei 20°C.

Zur Bestimmung des Rückhaltevermögens des Faserbetts gegenüber der Schwerkraft (Rg) wird das Glasrohr senkrecht aufgestellt und eine dem Aerosol in der vorgesehenen Verwendung entsprechende Flüssigkeit wird aus einer Höhe von wenigstens 25,4 mm langsam von oben auf das Faserbett gegossen. Bei Beginn des Austritts der Flüssigkeit am unteren Ende des Faserbetts wird die Zufuhr eingestellt und die Flüssigkeit weiter ablaufen gelassen, bis am unteren Ende des Faserbetts keine weitere Flüssigkeit mehr austritt. Darauf wird die Gewichtszunahme, bezogen auf das Trockengewicht des Faserbetts gemessen und das Rückhaltevermögen gegenüber der Schwerkraft nach der folgenden Beziehung bestimmt:

worin

Rg =Rückhaltevermögen gegenüber der Schwerkraft (g Flüssigkeit/g Faser) Δ Wl =Gewichtszunahme d. h. zurückgehaltene Flüssigkeitsmenge (g) W =Trockengewicht der Faser (g) K =Korrekturfaktor

Die Größe Rg wird also unter statischen Bedingungen, d. h. ohne Gasströmung bestimmt. Daher ist Rg unabhängig von den im praktischen Betrieb auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten konstant.

Der Korrekturfaktor K dient dazu, den Einfluß der beschränkten Abmessungen des untersuchten Faserbetts zu kompensieren. Beim Aufhören des Flüssigkeitsaustritts unter Schwerkraftwirkung wird im unteren Ende des Faserbetts gewöhnlich eine kleine Flüssigkeitsmenge über die durch die Rückhaltekräfte festgehaltene Menge hinaus zurückgehalten. Da diese Flüssigkeit nicht mehr entlang weiteren Fasern abwärts fließen kann, wird sie durch ihre Oberflächenspannung in den untersten Lagen des Faserbetts festgehalten. Mit zunehmender Tiefe des Faserbetts und/oder zunehmendem Faserdurchmesser verringert sich die Wirkung dieses auf Kapillarwirkung beruhenden Haltevermögens und wird bei einer Tiefe des Betts von etwa 600 bis 900 mm vernachlässigbar klein. Man könnte also für die Untersuchung ein tieferes Faserbett, etwa ein bis zu einer Tiefe von 900 mm mit Fasern gefülltes Rohr mit einem Durchmesser von ca. 50 mm verwenden, wobei jedoch der Abfluß bis zum Erreichen des dem Rückhaltevermögen Rg entsprechenden Gleichgewichts sehr lange Zeit in Anspruch nimmt, so daß man vorzugsweise ein flacheres, beispielsweise das vorstehend beschriebene 203 mm tiefe Faserbett verwendet, auch wenn dies die Einführung des Korrekturfaktors erfordert.

Der Korrekturfaktor K für das 203 mm tiefe Faserbett ist ohne Schwierigkeit als die Beziehung zwischen Rg für ein größeres Faserbett, etwa ein solches mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Tiefe von 760 mm, und Rg für das kleinere Faserbett bei gegebenem Faserdurchmesser Packungsdichte und Flüssigkeit bestimmbar. Nach der Bestimmung des Korrekturfaktors K für ein kleineres Faserbett mit Hilfe eines größeren Faserbetts können dann alle Versuche zur Bestimmung von Rg innerhalb des gegebenen Systems mittels des kleineren Faserbetts durchgeführt werden.

Bei der Verwendung von unbehandelten, langen Glas-Stapelfasern mit einem mittleren Durchmesser im Bereich zwischen 7 und 11 µm und einer Packungsdichte von 160 bis 256 kg/m³ in einem 203 mm tiefen Faserbett zum Abscheiden von Wasser, Schwefelsäure oder Dioctylphthalat ist ein Korrekturfaktor K=0,86 wählbar. Bei Verwendung von gekräuselten Glasfasern mit 30 µm Durchmesser wurde ein Korrekturfaktor K=1,0 ermittelt, d. h. es ist hier keine Korrektur notwendig. Nach einmaliger Berechnung für eine gegebene Fasersorte, einen bestimmten Faserdurchmesser, eine gegebene Packungsdichte und Art der Flüssigkeit ist der gleiche Faktor K also in einem beträchtlichen Bereich anwendbar. Bei Verwendung einer anderen Art von Fasern, einer anderen Flüssigkeit, eines wesentlich anderen Faserdurchmessers und/oder einer anderen Packungsdichte ist der Faktor K jedoch neu zu bestimmen.

Als nächstes wird nun das Rückhaltevermögen gegenüber einer Gasströmung ermittelt. Dazu wird ein Glasrohr mit einer Länge von etwa 150 mm und einem gleichmäßigen Innendurchmesser von ca. 25,4 mm in einer Höhe von etwa 76 mm in möglichst gleichmäßiger Packungsdichte mit den gleichen Glasfasern gefüllt. Das Faserbett hat aus praktischen Gründen eine geringere Tiefe, da der Druckabfall über ein Bett von größerer Tiefe von etwa 203 mm, wie es zur Bestimmung der Größe Rg verwendet wurde, einen beträchtlich höheren Kraftaufwand erfordern würde und das Erreichen eines stabilen Betriebszustands zur Ermittlung von Rv übermäßig lange Zeit in Anspruch nähme. Da bei der Bestimmung von Rv kein Korrekturfaktor für die Tiefe des Faserbetts zur Anwendung kommt, sind auch mit einem Bett geringerer Tiefe gute Meßergebnisse erzielbar.

Nach Sättigung des Faserbetts mit der Flüssigkeit wird das Glasrohr waagerecht gelegt, und an einem Ende des Rohrs wird eine Luftzufuhr mit einer steuerbaren Durchströmungsgeschwindigkeit angeschlossen. Dem Glasrohr wird weitere Flüssigkeit zugeführt, so daß sich an der Zuströmseite des Faserbetts ein Stau bildet, bis die Flüssigkeit an der Abströmseite des Betts auszutreten beginnt, worauf die Flüssigkeitszufuhr abgestellt wird.

Die Luftströmung wird nun mit vorbestimmter Geschwindigkeit durch das Faserbett hindurchgeleitet, bis an der Abströmseite keine Flüssigkeit mehr austritt. Da sich das Rückhaltevermögen Rv eines Faserbetts gegenüber einer Gasströmung gewöhnlich mit zunehmender Durchströmungsgeschwindigkeit verringert, beginnt man bei der Ermittlung von Rv eines gegebenen Faserbetts für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten vorzugsweise mit einer niedrigen Geschwindigkeit zum Ermitteln des ersten Rv-Werts und schreitet dann zu höheren Geschwindigkeiten fort.

Das Rückhaltevermögen Rv. d. h. die Menge der im Faserbett zurückgehaltenen Flüssigkeit, wird für jede Durchströmungsgeschwindigkeit nach Messung der Gewichtszunahme, bezogen auf das Trockengewicht der Faser, nach der folgenden Beziehung berechnet:

worin
Rv=Rückhaltevermögen gegenüber der Gasströmung (g Flüssigkeit/g Faser) Δ W₂=Gewichtszunahme, d. h. Menge der gegenüber der Gasströmung im Faserbett zurückgehaltenen Flüssigkeit (g)
W=Trockengewicht der Faser (g).

Für die Konstruktion von Faserbettabscheidern für bestimmte Zwecke werden vorzugsweise zunächst mehrere Reihen von Daten für Rg und Rv von Faserbetten mit verschiedener Packungsdichte und Faserdurchmesser ermittelt und wie in Fig. 1 gezeigt dargestellt.

Sind die Beziehungen zwischen Rg und Rv erst einmal bestimmt und etwa wie in Fig. 1 graphisch dargestellt, so spielt die tatsächliche Größe von Rg und Rv unter gegebenen Bedingungen keine Rolle mehr. Es kommt lediglich darauf an, ob Rg größer oder kleiner ist als Rv. Die Daten für Rg und Rv können also unter Verwendung einer harmlosen Flüssigkeit wie Wasser oder Dioctylphthalat experimentell ermittelt und dann unabhängig von der tatsächlichen Größe von Rg und Rv unter gegebenen Bedingungen für jede Flüssigkeit angewendet werden, in bezug auf welche die Beziehung zwischen Rg und Rv im wesentlichen die gleiche ist.

Ein anderes, im folgenden beschriebenes Verfahren zum Bestimmen von Rv und Rg eignet sich insbesondere bei Verwendung von relativ steifen Fasern, welche sich nicht mit einigermaßen gleichmäßiger Packungsdichte in ein Rohr füllen lassen. Das Verfahren eignet sich also insbesondere für Fasern mit Durchmessern von 30 µm und mehr, insbesondere gekräuselten Glasfasern, mit einem Harz überzogene Glasfasern, Drahtgewebe, Nebelfilter-(SC)-Fasern und andere Fasern mit gleicher Steifigkeit, welche im Rahmen der Erfindung für die zweite Faserlage und, bei hohen Durchströmungsgeschwindigkeiten, für die erste Faserlage eines Faserbettabscheiders verwendbar sind.

Zur Bestimmung des Rückhaltevermögens Rg eines Faserbetts gegenüber der Schwerkraft werden mehrere Lagen der steifen Fasern zu einem flachen Faserbett übereinandergelegt und zwischen zwei Gittern bis auf die gewünschte Packungsdichte zusammengepreßt. So wird vorzugsweise ein 76 mm langes, 114 mm breites und 9,5 mm tiefes Faserbett geformt. Dieses wird in die für den Versuch verwendete Flüssigkeit getaucht, bis seine Hohlräume im wesentlichen damit gefüllt sind, dann aus der Flüssigkeit gehoben und senkrecht gehalten, bis keine Flüssigkeit mehr herausläuft. Darauf wird Rg nach der gleichen Beziehung

wie vorstehend berechnet, jedoch in Anbetracht der steiferen Fasern ohne Anwendung des Korrekturfaktors K.

Zur Bestimmung von Rv wird ein 19 mm breites, 25,4 mm hohes und 76 mm dickes Faserbett aus den zu untersuchenden Fasern geformt. Das Faserbett hat also eine sehr kleine Querschnittsfläche, was für die Bestimmung von Rv sehr zweckmäßig ist. Das Bett wird mit seiner 76 mm messenden Dicke waagerecht angeordnet und Luft wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch es hindurchgeleitet. Dabei wird an der Zuströmseite des Faserbetts eine Flüssigkeit zugeführt, etwa indem sie in der Luftströmung versprüht wird, so daß sie sich gleichmäßig über die Zuströmseite des Betts verteilt, bis an der Abströmseite Flüssigkeit auszutreten beginnt. Darauf wird die Flüssigkeitszufuhr abgestellt und die Luft weiter mit der gewählten Geschwindigkeit durch das Bett hindurchgeleitet, bis an der Abströmseite keine Flüssigkeit mehr austritt. Danach läßt sich Rv wie vorstehend nach der Beziehung

berechnen.

Somit schafft die Erfindung also einen Faserbettabscheider und ein Verfahren zum Abscheiden von Aerosolen mit Teilchengrößen von 3 µm und darunter aus Gasen. Es werden zwei in inniger Berührung miteinander befindliche Faserlagen verwendet. Die in Strömungsrichtung des Gases erste Faserlage ist aus Fasern, welche einen mittleren Durchmesser von wenigstens 5 µm haben, und hat ein Hohlraumvolumen von etwa 85 bis 98%, wobei der Faserdurchmesser und das Hohlraumvolumen des Betts so gewählt sind, daß die erste Lage bei der Soll-Durchströmungsgeschwindigkeit und -Aerosolbelastung nicht gesättigt wird und das Rückhaltevermögen der ersten Lage gegenüber der Einwirkung der Gasströmung auf die aufgenommene Flüssigkeit geringer ist als gegenüber der Einwirkung der Schwerkraft auf die Flüssigkeit. Die zweite Faserlage hat ein Hohlraumvolumen von etwa 85 bis 99% und enthält Fasern mit dem gleichen oder einem größeren Durchmesser wie bzw. als die erste Lage, so daß das Rückhaltevermögen der zweiten Lage gegenüber der Gasströmung größer ist als gegenüber der Schwerkraft. In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Faserbettabscheiders enthält die erste Lage Fasern mit mittleren Durchmessern von ca. 5 bis 20 µm und die zweite Lage solche mit mittleren Durchmessern von 25 bis 35 µm .

Bei einem Abscheider für hohe Durchströmungsgeschwindigkeit kann die erste Lage Fasern mit mittleren Durchmessern von ca. 25 bis 75 µm und die zweite Lage solche mit mittleren Durchmessern von ca. 30 bis 300 µm enthalten.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung in Form einer graphischen Darstellung des Rückhaltevermögens gegenüber einer Gasströmung und der Schwerkraft für drei verschiedene Arten von Fasern bei verschiedener Packungsdichte und verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Schrägansicht eines zylindrischen Faserbett-Abscheiderelements in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine Schrägansicht eines ebenen Faserbett-Abscheiderelements in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem zylindrischen Faserbett-Abscheiderelement nach Fig. 2 mit daran angebrachten Stützgittern,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Faserbettabscheiders in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines zum Demonstrieren der Wirksamkeit der Erfindung verwendeten Versuchs-Faserbettabscheiders und

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Rückhaltevermögens Rg und Rv für steife, rauhe Fasern und zwei verschiedene Flüssigkeiten bei erhöhten Durchströmungsgeschwindigkeiten.

Fig. 1 zeigt die Beziehungen zwischen dem Rückhaltevermögen und Durchströmungsgeschwindigkeiten des Faserbetts von ca. 3 bis ca. 15 m/min beim Abscheiden von Dioctylphthalatnebel oder -Aerosol aus Luft unter Verwendung von unbehandelten hydrophilen Glasfasern in verschiedener Packungsdichte.

Die in Fig. 1 in bezug auf Dioctylphthalat dargestellten Beziehungen von Rg und Rv sind unter Vernachlässigung der absoluten Werte von Rg und Rv mit geringen Verschiebungen der relativen Stellungen der Kurven auch für Schwefelsäure und Wasser anwendbar. Bei der Konstruktion von Abscheidern für andere Flüssigkeiten oder aus anderem Fasermaterial werden zunächst vorzugsweise einige Werte für Rg und Rv in bezug auf das andere System ermittelt, um sicherzustellen, daß für andere Systeme ermittelte Daten weiterhin anwendbar sind. Auch wenn die Konstruktionsparameter so gewählt werden, daß in einem Faserbett der Unterschied zwischen Rg und Rv sehr gering ist, werden vorzugsweise jeweils neue Daten ermittelt anstatt die allgemeinen Beziehungen angebenden Daten anderer Systeme anzuwenden.

Da die Erfindung ohne Rücksicht auf die Art des Fasermaterials auf Faserbettabscheider anwendbar ist, ist die Packungsdichte allein im Hinblick auf das in Prozenten ausgedrückte Hohlraumvolumen des Faserbetts von Interesse. Ist jedoch das zu verwendende Fasermaterial einmal bestimmt und sein spezifisches Gewicht bzw. seine Dichte bekannt, so wird die Packungsdichte dann vorzugsweise als Fasergewicht pro Volumeneinheit des Faserbetts ausgedrückt, d. h. also als g/m³. Die Umrechnung des Hohlraumvolumens auf Packungsdichte geschieht nach der Gleichung

worin V% das Hohlraumvolumen in Prozent, Df die Dichte des Fasermaterials und Dp die Packungsdichte bedeutet.

Diese Gleichung kann angewendet werden, um die Packungsdichte der verschiedenen in Fig. 1 angeführten Glasfasern zu berechnen, wobei ein spezifisches Gewicht von etwa 2,55 zugrundegelegt werden kann.

Zur Ermittlung der in Fig. 1 gezeigten Daten wurden unbehandelte, chemisch widerstandsfähige Glasfasern mit drei verschiedenen Soll-Durchmessern verwendet. Die bei jedem Bett enthaltenen Fasern haben weitgehend gleichmäßigen Durchmesser, d. h. wenigstens 95% der Fasern haben den Solldurchmesser ±2 µm. Die Faser "A" ist eine lange Stapel-Glasfaser mit einem Solldurchmesser von 7,6 µm, die Faser "B" eine lange Stapel-Glasfaser mit einem Durchmesser von 10,5 µm und die Faser "C" eine gekräuselte Glasfaser mit einem Durchmesser von 30 µm.

Die in Fig. 1 gezeigten Daten wurden unter Anwendung des vorstehend als erstes beschriebenen Versuchsverfahrens bei den angegebenen niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ermittelt. Bei der Abscheidung von Dioctylphthalat, Wasser oder Schwefelsäure und den angegebenen Packungsdichten ist bei den Betten aus den Fasern A und B Rv kleiner als Rg. Bei der Anwendung der Erfindung zum Abscheiden solcher Aerosole können also die Fasern A und B für die erste Lage verwendet werden, und dies in einer Packungsdichte, bei welcher Rv bei der gewünschten Durchströmungsgeschwindigkeit kleiner ist als Rg. In Fig. 1 erkennt man ferner, daß die Fasern A und B bei den angegebenen Packungsdichten nicht für die zweite Faserlage geeignet sind.

Eine Lage aus den Fasern C mit einer Packungsdichte von 114,4 kg/m³ hat gegenüber Aerosolen dieser Flüssigkeiten bei den niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten einen im Vergleich zu Rg größeren Wert als Rv. Bei niedriger Packungsdichte eignet sich die Faser C also gut für die zweite Faserlage eines erfindungsgemäßen Faserbettabscheiders zum Abscheiden der angeführten Aerosole bei Strömungsgeschwindigkeiten von 9 bis 15,2 m/min oder darüber, ohne nennenswerte erneute Mitnahme der abgeschiedenen Flüssigkeit.

Eine Verlängerung der Rv-Kurven für jede angegebene Kombination von Faserbetten und Flüssigkeiten über die in Fig. 1 angegebenen Strömungsgeschwindigkeiten hinaus läßt erkennen, daß diese Kurven über einen größeren Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten nicht unbedingt linear verlaufen. Mit einer Änderung der Durchströmungsgeschwindigkeit ändert sich auch die Beziehung von Rv und Rg für das betreffende Faserbett. Diese Änderung kann gegebenenfalls unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Versuchsverfahrens ermittelt werden. Die in Fig. 1 gezeigten Rv-Kurven können also nicht einfach über den aufgezeigten Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 3,05 und 15,2 m/min hinaus verlängert werden.

Fig. 7 ist Fig. 1 ähnlich, zeigt jedoch die Beziehungen zwischen Rv und Rg für drei ziemlich rauhe und steife Fasern bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten von 30,5 bis 183 m/min unter Verwendung von Wasser bzw. einer wäßrigen Lösung von 0,1 Gew-% eines als Sterox DJ bezeichneten Detergens als Versuchsflüssigkeiten. Die in Fig. 7 gezeigten Daten wurden unter Anwendung des vorstehend an zweiter Stelle beschriebenen Versuchsverfahrens ermittelt.

Die Faser "C" in Fig. 7 ist die gleiche 30 µm dicke Faser wie vorstehend beschrieben. Die Faser "SC" ist eine gerade, nadelähnliche Glasfaser mit einem mittleren Durchmesser von 200 µm, und die behandelte Faser "C" ist eine durch eine Beschichtung aus Dimethyldichlorsilan hydrophob gemachte Faser.

Bei einem Faserbett aus den Fasern C mit einer Packungsdichte von 114,4 kg/m³ zum Abscheiden von Wasser ist Rv bei Durchströmungsgeschwindigkeiten bis ca. 100 m/min größer als Rg, so daß sich die Faser also bei Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 100 m/min, vorzugsweise unter 91 m/min als die zweite Lage zum Abscheiden von Wassernebel eignet. Bei Strömungsgeschwindigkeiten über 100 und vorzugsweise über 106,7 m/min würde sich die Faser in einer solchen Verwendung für die erste, nicht jedoch die zweite Lage, eignen.

Wie man ferner aus Fig. 7 erkennt, sind Rv und Rg bei den durch Behandlung mit Dimethyldichlorsilan hydrophob gemachten Fasern C mit einer Packungsdichte von 114,4 kg/m³ kleiner, eine solche Faserlage wäre jedoch beim Abscheiden von Wasser mit Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 54,9, vorzugsweise unterhalb 48,8 m/min als zweite Lage verwendbar. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 54,9, vorzugsweise mehr als 64 m/min wäre die Faser in einer solchen Verwendung für die erste, nicht jedoch für die zweite Lage, geeignet.

Die Kurven für die wäßrige Lösung des Detergens Sterox DJ in den Faserbetten aus den unbehandelten und silan-behandelten Fasern C zeigen in Fig. 7 die Anwendung der Erfindung zum Abscheiden von Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung aus einer Gasströmung. Bei Durchströmungsgeschwindigkeiten über 36,6, vorzugsweise über 45,7 m/min wäre die unbehandelte Faser C mit einer Packungsdichte von 114,4 kg/m³ und bei noch geringeren Durchströmungsgeschwindigkeiten die behandelte Faser in der gleichen Packungsdichte für die erste Lage eines Faserbettabscheiders zum Abscheiden einer solchen Flüssigkeit geeignet. Für die zweite Lage wären die Faser SC mit einer Packungsdichte von 91,3 kg/m³ geeignet.

Aufgrund der vorstehenden Beschreibung und unter Anwendung der beschriebenen Verfahren für die Bestimmung von Rv und Rg lassen sich entsprechende Daten für jede beliebige Kombination von Aerosol, Gasvolumen, Durchströmungsgeschwindigkeit, Faserart, Faserdurchmesser und Packungsdichte mühelos ermitteln und wie in Fig. 1 und 7 gezeigt darstellen.

Die Erfindung ist auch für das Abscheiden von löslichen Feststoffaerosolen aus Gasen anwendbar, wobei eine Flüssigkeit, im Falle von wasserlöslichen Feststoffen also Wasser, zum Berieseln der ersten Faserlage verwendet oder in Form eines Nebels an der Zuströmseite der ersten Faserlage in der Gasströmung versprüht wird. Die aufgenommene Flüssigkeit ist dann eine Lösung der Feststoffe in dem gewählten Lösungsmittel. Für die Versuche zum Ermitteln von Rv und Rg ist dann eine Lösung mit der gleichen Konzentration und den gleichen Eigenschaften zu verwenden.

Bei der Konstruktion von Hochleistungsscheidern ist das Prinzip der Erfindung anwendbar für jede Art von Fasern mit einem mittleren Durchmesser bis zu ca. 20 µm für die erste Lage und darüber für die zweite Faserlage. Die Fasern der ersten Lage sollten einen mittleren Durchmesser von wenigstens 5 µm haben, da eine Lage aus dünneren Fasern nicht die notwendige mechanische Festigkeit hat, so daß es im Gebrauch zu Verdichtungen oder zum Verfilzen der Fasern oder sonstigen Bewegungen derselben kommt. Dadurch verringert sich örtlich die Packungsdichte, so daß das Gas unbehandelt entweichen kann und eine Verschlechterung der Leistung eintritt.

Die Fasern selbst sollten die Flüssigkeit in keinem nenneswerten Maße aufnehmen. Als Fasermaterial geeignet sind u. a. Metalle wie rostfreier Stahl, Titan usw., Polymere wie Polyester, Polyvinylchlorid, Polyäthylenterephthalat, Fluorkohlenstoffe wie Polytetrafluoräthylen, Nylon, Polyalkylene wie Polyäthylen, Polypropylen usw. sowie Glas. Glasfasern werden besonders häufig für Faserbettabscheider verwendet und verdienen im Rahmen der Erfindung den Vorzug für die erste Faserlage. Für die Faserlagen sind sowohl beschichtete als auch unbeschichtete und unbehandelte Glasfasern geeignet. Verwendbar sind beispielsweise mit einem lyophobe Eigenschaften verleihenden Material beschichtete Glasfasern, insbesondere die der US-PS 31 07 986 beschriebenen, silikonbeschichteten hydrophoben Glasfasern. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden jedoch unbehandelte lyophile, insbesondere hydrophile Glasfasern verwendet. Besonders geeignet sind lange Stapel-Glasfasern mit Durchmessern bis zu 20 µm sowie gekräuselte Glasfasern mit Durchmessern von 25 µm und darüber. Diese Fasern ergeben Faserbetten von guter mechanischer Stabilität bei der zur Erzielung des gewünschten Hohlraumvolumens angewendeten niedrigen Packungsdichte. Derartige Faserlagen können gegebenenfalls eine Warmbehandlung erhalten, um die beim Packen der Lagen entstandenen Spannungen zu beseitigen und die mechanische Stabilität dadurch weiter zu verbessern.

Die erfindungsgemäßen Faserbettabscheider können als Hochleistungsabscheider oder als Abscheider für hohe Durchströmungsgeschwindigkeit ausgelegt sein. Die Hochleistungsabscheider werden gewöhnlich in solchen Fällen angewendet, in denen Aerosole mit Teilchengrößen von weniger als einem Mikron bis ca. 3 µm möglichst vollständig ausgeschieden werden sollen. Mit den erfindungsgemäßen Faserbettelementen ist bei Durchströmungsgeschwindigkeiten bis zu 30,5 m/min, vorzugsweise bis zu 21,3 m/min, zum Abscheiden solcher Aerosole ein Wirkungsgrad von bis zu 99,9% ohne nennenswerte erneute Mitnahme erzielbar. In jedem Falle ermöglicht die Erfindung die Schaffung von Hochleistungsfaserbettabscheidern und -elementen für Durchströmungsgeschwindigkeiten, welche beträchtlich über der für solche Abscheider bei üblicher Aerosolbelastung herkömmlichen Grenze von 12,2 bis 15,2 m/min liegen.

In einem solchen Hochleistungsabscheider werden für die erste Lage Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 5 bis 20 µm verwendet. Mit langen Stapel-Glasfasern von ca. 7 bis 12 µm mittlerem Durchmesser sind Faserlagen von besonders guter mechanischer Stabilität und hohem Wirkungsgrad herstellbar. Die für die zweite Lage verwendeten Fasern haben vorzugsweise wenigstens den gleichen mittleren Durchmesser wie die der ersten Lage, vorzugsweise jedoch einen größeren, so daß bei der erforderlichen Packungsdichte eine mechanisch stabile Lage erzielbar ist, bei welcher Rv und Rg in der richtigen Beziehung zueinander stehen. Für die zweite Lage verdienen daher Fasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen ca. 15 und 75 µm den Vorzug, insbesondere gekräuselte Glasfasern von 25 bis 35 µm mittlerem Durchmesser. Bei Verwendung solcher gekräuselter Glasfasern ist für die zweite Faserlage eine Packungsdichte von 80 bis 240, vorzugsweise von 80 bis 160 kg/m³ am besten geeignet. In einer solchen bevorzugten Ausführungsform hat dann die zweite Lage ein größeres Hohlraumvolumen als die erste, so daß in ihr nur ein geringer zusätzlicher Druckabfall eintritt und die Flüssigkeit gut ablaufen kann.

Für das Abscheiden von Aerosolen mit Teilchengrößen von 1 bis 3 µm und darüber schafft die Erfindung Abscheider für erhöhte Durchströmungsgeschwindigkeiten mit einem Wirkungsgrad von etwa 85 bis 95%. In solchen Fällen, und insbesondere für die Behandlung großer Gasmengen ist mit einem Faserbett aus dickeren Fasern und mit einem Hohlraumvolumen von 85 bis 99% eine ausreichende Abscheideleistung ohne höheren Druckabfall erzielbar. Derartige Abscheider sind vorzugsweise für Durchströmungsgeschwindigkeiten von ca. 91 bis 152,4 m/min ausgelegt. Da die Durchströmungsgeschwindigkeit gewöhnlich nach oben durch das Problem der erneuten Mitnahme begrenzt ist, ermöglicht die Erfindung die Verwendung solcher Abscheider bei beträchtlich höheren Durchströmungsgeschwindigkeiten von beispielsweise 213,4 bis 243,8 m/min und darüber.

In einem Abscheider für hohe Strömungsgeschwindigkeiten werden für die erste Faserlage vorzugsweise Fasern von ca. 25 bis 75 µm mittleren Durchmessers verwendet. Den Vorzug verdienen Glasfasern, insbesondere gekräuselte Glasfasern mit Packungsdichten von etwa 48,1 bis 240, insbesondere 80 bis 160 kg/m³. Die Fasern für die zweite Lage werden nach den gleichen Gesichtspunkten ausgewählt wie vorstehend in bezug auf einen Hochleistungsabscheider erläutert. Bevorzugt sind Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 30 bis 300 µm.

Die beschriebenen Verfahren ermöglichen ferner die Konstruktion von Faserbettabscheidern für zwischen den vorstehend genannten Bereichen liegende Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen der Wirkungsgrad der Abscheidung und die zu behandelnde Gasmenge je nach dem Verwendungszweck in einem gewünschten Verhältnis zueinander stehen können.

In Fig. 2 und 3 sind zwei bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Faserbettelements dargestellt, und in Fig. 4 ein Ausschnitt aus einem zylindrischen Element.

Wie man in diesen Figuren erkennt, befinden sich eine erste und eine zweite Faserlage eines Faserbetts 1 in inniger gegenseitiger Berührung. Die erste und die zweite Lage 10 bzw. 12 sind von einem weitmaschigen Gitter 4 bzw. 6 etwa aus Draht abgestützt (Fig. 4). Da die beiden Lagen gewöhnlich eine unterschiedliche Packungsdichte haben, ist dazwischen vorzugsweise ein weiteres Stützgitter 5 angeordnet. Dieses ist jedoch nicht notwendig, wenn wenigstens eine der Lagen auch ohne es eine ausreichende mechanische Stabilität hat, so daß die Stabilität der jeweils anderen Lage nicht beeinträchtigt ist. Die Stützgitter können auch aus glasfaserverstärkten Polyestern sein. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise durch die Art des verwendeten Stützgitters eingeschränkt, da dieses lediglich dazu dient, die Faserlagen ohne Beeinträchtigung der Gasströmung zu stützen.

Der Ausdruck "innige Berührung zwischen den beiden Faserlagen" bedeutet, daß sich Fasern der ersten und der zweiten Lage im wesentlichen über die gesamte Grenzfläche zwischen den beiden Lagen gegenseitig berühren. Die von der ersten Lage aufgenommene Flüssigkeit kommt an der Abströmseite desselben in Berührung mit den Fasern der zweiten Lage und fließt dann in dieser abwärts. Das Abfließen beginnt also an der Grenzfläche und kann je nach der Gasströmung und der Einwirkung der Schwerkraft in der zweiten Lage entlang dem Weg des geringsten Widerstands in der Grenzfläche oder der zweiten Lage fortsetzen.

In Fig. 2 bis 4 sind die Faserlagen senkrecht in einer waagerechten Gasströmung angeordnet. In der praktischen Anwendung brauchen jedoch die Faserlagen nicht senkrecht und die Gasströmung nicht waagerecht zu verlaufen. Insbesondere die Richtung der Gaströmung kann in der Praxis beträchtlich von der Waagerechten abweichen, sofern gewährleistet ist, daß sie von der Zuströmseite des Elements durch dieses hindurch zur Abströmseite desselben verläuft. Ein solcher Verlauf ist im folgenden mit "im wesentlichen waagerecht" bezeichnet. Ebenso braucht das Faserbettelement auch nur "im wesentlichen senkrecht" angeordnet zu sein, ohne daß seine Wirkung dadurch beeinträchtigt wird.

Das in Fig. 2 gezeigte zylindrische Faserbettelement kann für die auch bisher üblichen Zwecke verwendet werden.

Es ist besonders geeignet für einen Abschneider, in welchem die erste Lage eine besonders große Oberfläche haben soll, da es die Unterbringung einer sehr großen wirksamen Oberfläche in einem relativ kleinen Gehäuse ermöglicht. Ein ebenes Faserbettelement der in Fig. 3 gezeigten Art findet bevorzugt Anwendung in einem Abscheider für hohe Durchströmungsgeschwindigkeiten.

Der Einbau von Faserbettelementen in einer Abscheideranlage ist allgemein bekannt und auch in bezug auf die Erfindung anwendbar. Zylindrische Faserbettelemente weisen gewöhnlich unter Bildung eines ringförmigen Zwischenraums starr miteinander verbundene Stützgitter auf, zwischen denen die Faserlagen angeordnet sind. Das eine Ende eines solchen Elements ist mittels eines Deckels gegenüber der Gasströmung verschlossen, und das andere, offene Ende ist mittels eines Flanschs od. dergl. an einer Rohrplatte befestigt. Gewöhnlich sind mehrere Elemente auf diese Weise an der Rohrplatte angebracht. Je nach der beabsichtigten Richtung der Gasströmung können die Elemente abwärts hängend oder aufrecht stehend an der Rohrplatte befestigt sein. An der Zuströmseite der Rohrplatte hat ein diese umgebendes Gehäuse einen Einlaß für die Gasströmung und an ihrer Abströmseite einen Auslaß. Je nach Ausführung kann das Gas die Elemente, wie in Fig. 2 gezeigt, von außen nach innen oder auch von innen nach außen durchströmen. Dabei ist die erste Faserlage in jedem Falle an der Zuströmseite des Elements angeordnet.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Faserbettabscheiders mit einem einen Einlaß 20 und einen Auslaß 22 für die Gasströmung aufweisenden Gehäuse 3 und einer Anzahl von zylindrischen Faserbettelementen 1, welche mit ihren offenen Enden hängend an einer Rohrplatte 24 befestigt sind. Am anderen Ende sind die Elemente gegenüber dem Innenraum A des Behälters 3 jeweils durch einen Deckel 26 verschlossen, von welchem aus sich jeweils ein Abflußrohr 28 in ein Siphongefäß 30 am Boden des Gehäuses 3 erstreckt.

Im Betrieb des Abscheiders nach Fig. 5 strömt das ein Aerosol enthaltende Gas durch den Einlaß 20 hindurch in den Innenraum A des Gehäuses 3. Da die unteren Enden der Elemente 1 durch die Deckel 26 verschlossen sind, kann das Gas nicht einfach in den hohlen Elementen aufwärts strömen sondern muß, wie durch Pfeile angedeutet, zuerst die erste und dann die zweite Faserlage 10 bzw. 12 durchströmen. Das von dem Aerosol befreite Gas kann dann ohne erneute Mitnahme des Aerosols durch die hohlen Elemente 1 hindurch aufwärts in den oberen Raum B des Gehäuses und anschließend durch den Auslaß 22 hindurch abströmen.

In jedem Element wird das Aerosol in der ersten Faserlage 10 von dem Gas getrennt und fließt dann in der zweiten Faserlage 12 abwärts zum Deckel 26 und weiter über das Rohr 28 in das Siphongefäß 30.

In den folgenden Beispielen sind die Ergebnisse der Anwendung der Erfindung zum Abscheiden von Schwefelsäurenebeln oder -Aerosolen aufgezeigt. Zu Vergleichszwecken sind auch Beispiele angeführt, in denen die Wirkung der ersten Faserlage allein, also ohne zweite Lage dargestellt ist, um damit die erneute Mitnahme von Teilchen an der Abströmseite vergleichen zu können.

Die in der folgenden Tabelle A zusammengefaßten Beispiele 1 bis 8 beziehen sich jeweils auf ein zylindrisches Faserbettelement mit einem Außendurchmesser von 304,8 mm und einer Länge von 1067 mm. Die erste Lage aus den Fasern B, d. h. aus unbehandelten langen Stapel-Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser von 10,5 µm hat eine Tiefe von 50,8 mm und eine Packungsdichte von ca. 251,5 kg/m³, entsprechend einem Hohlraumvolumen von ca. 90%. Die zweite Lage, sofern vorhanden, ist aus den Fasern C, d. h. aus unbehandelten, gekräuselten Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 30 µm, und hat eine Tiefe von 19 mm bei einer Packungsdichte von ca. 112,1 kg/m³, entsprechend einem Hohlraumvolumen von ca. 95,6%. Die zweite Lage ist innerhalb der ersten angeordnet und befindet sich in inniger Berührung mit deren innerer Umfangsfläche. Rv und Rg wurden nach dem vorstehend als erstes beschriebenen Versuchsverfahren ermittelt.

Fig. 6 zeigt die Anordnung eines einzelnen Faserbettelements in einem Versuchsabscheider. Das in Fig. 6 gezeigte Element hat sowohl eine erste als auch eine zweite Faserlage. Das Vergleichselement hat die gleiche Form, jedoch unter Weglassung der zweiten Faserlage.

Der Abscheider nach Fig. 6 wird an einen Aerosolerzeuger angeschlossen, welcher bei veränderlichen Gasströmungsmengen zur Erzeugung eines Schwefelsäurenebels in Luft eingerichtet ist. Den in der Tabelle zusammengefaßten Untersuchungen liegen die folgenden Bedingungen zugrunde: Die Durchströmungsgeschwindigkeit beträgt ca. 12,2 m/min, und die einströmende Luft enthält ca. 2,47g/Nm³ Schwefelsäure in einer Konzentration von ca. 55% in Form eines Aerosols mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 1,0 µm. Proben der abströmenden Luft wurden in der Mitte des von dem Element umgebenen Raums mittels einer isokinetischen Sonde und mittels eines BMS-10 Probennehmers der Firma Monsanto Enviro-Chem Systems, Inc. genommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle A zusammengefaßt.

Tabelle A

Sofern in der Tabelle mehrere Werte für die erneute Mitnahme angegeben sind, so bedeutet dies, daß mehrere Proben nacheinander genommen wurden. Die für die erneute Mitnahme angegebenen Werte beziehen sich auf die größeren in der Sonde und im Zyklon des Probennehmers gesammelten Teilchen, vorwiegend in einer Größenordnung von 2 oder 3 µm und darüber.

In den Beispielen 1 bis 5 ohne die zweite Faserlage ist die erneute Mitnahme aus der ersten Lage sehr groß, obgleich die verwendete erste Lage einen Aufbau gemäß der Erfindung hatte und die Durchströmungsgeschwindigkeit etwa an der oberen Grenze des für Hochleistungsabscheider derzeit üblichen Bereichs lag. Im Durchschnitt der Beispiele 1 bis 5 lag die erneute Mitnahme unter den gegebenen Bedingungen bei ca. 33,07 mg/Nm³.

Die Beispiele 6 bis 8 beziehen sich dagegen auf Ausführungsformen der Erfindung mit zweiter Faserlage. Die erneute Mitnahme ist hier auf einen Durchschnittswert von ca. 2,93 mg/Nm³ verringert. Daraus, daß dieser niedrige Wert bei Durchströmungsgeschwindigkeiten von ca. 12,2 m/min erzielt wird, ist zu erkennen, daß beträchtlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten angewendet werden können, bevor die erneute Mitnahme Schwierigkeiten bereitet.

Die folgenden Beispiele 9 bis 14 zeigen nochmals die durch Anwendung der Erfindung erzielbare Verringerung der erneuten Mitnahme bei Verwendung von verschiedenen Faserbettelementen für hohen Wirkungsgrad und hohe Durchströmungsgeschwindigkeit, wobei wiederum 55%ige Schwefelsäure und ein Nebelerzeuger wie in den Beispielen 1 bis 8 verwendet werden. Die Beispiele 9 bis 14 beziehen sich auf ein ebenes Faserbett der in Fig. 3 gezeigten Art, wobei in jedem Beispiel zunächst ein Kontrollversuch ohne eine zweite Faserlage angegeben ist. Der Durchströmungsquerschnitt der Faserbettelemente beträgt jeweils 217,5 × 217,5 mm, und die Tiefe ist in der Tabelle B angegeben. Die Fasern C sind die gleichen wie in den Beispielen 1 bis 8. Bei den Fasern SC handelt es sich um unbeschichtete gerade Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 200 µm, die Fasern A sind unbeschichtete lange Stapel-Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser von 7,6 µm, die At-Fasern sind Fasern A, welche durch Behandlung mit Dimethyldichlorsilan hydrophob gemacht sind, und WM bezeichnet ein Gewebe aus Drahtfasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 178 µm. In jedem der Beispiele 9 bis 14 ist zunächst ein Kontrollversuch angegeben, um die hohe erneute Mitnahme aufzuzeigen, welche bei Verwendung der ersten Faserlage allein bei Durchströmungsgeschwindigkeiten eintritt, bei denen Rv kleiner ist als Rg. Die übrigen Versuche zeigen jeweils die Verringerung der Mitnahme bei Verwendung der zweiten Lage, in welcher Rv größer ist als Rg. Die in Tabelle B angegebenen Werte für die erneute Mitnahme basieren auf der Menge der mittels der isokinetischen Sonde an der Abströmseite des ebenen Faserbettelements aufgefangenen Teilchen mit einer mittleren Größe von mehr als 3 µm.

Tabelle B

In allen Beispielen 9 bis 14 zeigen die erfindungsgemäßen kombinierten Faserbettelemente einen beträchtlich höheren Wirkungsgrad beim Abscheiden des Schwefelsäurenebels aus der Luft als die in den Vergleichsversuchen jedes Beispiels verwendeten Elemente mit jeweils nur einer, nämlich der ersten Faserlage. Dabei war der Druckabfall bei den erfindungsgemäßen kombinierten Faserbettelementen nicht wesentlich größer als bei den in den Vergleichsversuchen verwendeten Faserbetten mit nur einer Lage.

Die Erfindung ist in bezug auf die Form der in der ersten und zweiten Lagen verwendeten Fasern nicht beschränkt. Die beiden Lagen können unter Verwendung von Losefasern, Faserbahnen oder -matten, Fasersträngen und dergl. unabhängig voneinander geformt werden. So kann eine einzelne Fasermatte bis auf die gewünschte Packungsdichte zusammengepreßt werden, oder mehrere Faserbahnen können zur Bildung einer Faserlage übereinandergelegt werden. In anderen Ausführungen kann etwa eine längere Faserbahn oder ein Faserstrang kontinuierlich auf einen durchlässigen zylindrischen Kern gewickelt werden. Dabei kann die beim Aufwickeln aufgewendete Zugspannung so gesteuert werden, daß eine zuströmseitige erste Zone mit höherer Packungsdichte, in welcher Rv kleiner ist als Rg, und eine abströmseitige zweite Zone mit geringerer Packungsdichte entsteht, in welcher Rv größer ist als Rg, wobei die erste Zone wahlweise an der Innenseite oder der Außenseite des gewickelten Elements gebildet werden kann.

Claims (7)

1. Faserbettabscheider zum Abscheiden von Aerosolen mit einer Teilchengröße von weniger als 3 µm aus einem Gasstrom, mit einem im wesentlichen vertikal angeordneten, im wesentlichen horizontal vom Gasstrom durchströmbaren Faserbett (1), das aus zwei Lagen (10, 12) gebildet ist, die einander unter Bildung einer Grenzschicht berühren und jeweils aus nichtfilzenden, ungeordnet verteilten Fasern bestehen, von denen diejenigen der ersten, stromaufwärts gelegenen Lage (10) einen mittleren Durchmesser von wenigstens 5 µm aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen gleichmäßige, im Bereich von ca. 85% bis 98% liegende Hohlraumvolumen der ersten Lage (10) und der mittleren Faserdurchmesser in dieser Lage im Bereich von 5 bis 75 µm so gewählt ist, daß das Rückhaltevermögen der ersten Lage (10) für die Flüssigkeit gegenüber der darauf einwirkenden Gasströmung bei der Soll-Strömungsgeschwindigkeit des Gases kleiner ist als das Rückhaltevermögen gegenüber der Schwerkraftwirkung, und daß das im wesentlichen gleichmäßige, im Bereich von etwa 85% bis 99% liegende Hohlraumvolumen der zweiten Lage (12) und der mittlere Faserdurchmesser in dieser Lage im Bereich von 25 bis 300 µm so gewählt sind, daß das Rückhaltevermögen der zweiten Lage (12) gegenüber der Gasströmung größer ist als gegenüber der Schwerkraftwirkung.

2. Faserbettabscheider nach Anspruch 1, für die Abscheidung von Aerosolen aus diese enthaltenden Gasen mit hohem Wirkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der ersten Lage (10) einen mittleren Durchmesser von ca. 5 bis 20 µm und die der zweiten Lage (12) einen mittleren Durchmesser von ca. 25 bis 35 µm haben.

3. Faserbettabscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (10) Glasfasern in einer Packungsdichte von ca. 80 is 320 kg/m³ enthält.

4. Faserbettabscheider nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage unbehandelte hydrophile lange Stapel-Glasfasern mit im wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser von ca. 7 bis 12 µm in einer Packungsdichte von ca. 160 bis 256 kg/m³ enthält.

5. Faserbettabscheider nach Anspruch 1, für die Behandlung von Aerosole enthaltenden Gasen mit hoher Durchströmungsgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der ersten Lage (10) einen mittleren Durchmesser von ca. 25 bis 75 µm haben und daß der mittlere Durchmesser der Fasern der zweiten Lagen (12) gleich dem der Fasern der ersten Lage oder größer als dieser ist und ca. 30 bis 300 µm beträgt.

6. Faserbettabscheider nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (10) Glasfasern in einer Packungsdichte von ca. 48 bis 240 kg/m³ enthält.

7. Faserbettabscheider nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (10) unbehandelte hydrophile gekräuselte Glasfasern mit im wesentlichen gleichmäßigem Durchmesser von ca. 25 bis 35 µm in einer Packungsdichte von ca. 80 bis 160 kg/m³ enthält.