DE2702210C3 - Filterkörper zur Feinstabscheidung von Nebel- und Feststoffaerosolen aus Gasen, insbesondere Druckluft sowie Verfahren zur Herstellung solcher Filterkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen FiUerkörper zur Feinstabscheidung von Nebel- und Feststoffaerosolen aus Gasen, insbesondere Druckluft mit einer aus verfestigtem Material gebildeten porösen Matrix, in der Filterzellen mit größerer Dichte afc die Matrix in relativ dichter gegenseitiger Zuordnung verteilt eingelagert sind, die durch aus feinen Fasern kurzer Länge bestehenden Flocken gebildet sind, und ferner ein Verfahren zum Herstellen dieses Filterkörpers, bei dem in bekannter Weise aus kurzen Faserstücken kleine Faserflocken gebildet und diese in mindestens eine zu einer die Form des Filterkörpers aufweisenden Matrix verfestigbaren Trägersubstanz eingebunden werden.

Ein diese Merkmale aufweisender FiUerkörper ist aus der DE-AS 12 04 630 bereits bekannt. Die Matrix dieses Filterkörpers ist aus langen und steifen Fasern gebildet, denen vorwiegend die Aufgabe zufällt, ein Stützgerüst für die durch Kügelchen gebildeten Filterzellen zu bilden und ein System von Strömungskanälen zu schaffen, das eine verhältnismäßig schnelle Durchströmung des Filtermaterials erlaubt, ohne daß die Fasern des Stützgerüstes zusammensacken und sich verfilzen. Die die Filterzellen bildenden Kügelchen bestehen dabei aus Flocken, die aus feinen Fasern kurzer Länge gebildet sind.

Bei dieser bekannten Konstruktion kommt es für die Filteraufgabe, für die sie bestimmt ist, nicht darauf an, daß die groben Fasern des Stutzgerüstes miteinander fest verbunden sind. Demgemäß ist eine Einbindung von die einzelnen Filterzellen bildenden feinen Fasern in diesem FiUerkörper nicht gegeben.

Auch ist eine wirtschaftliche Filtration von Gasen mit einem solchen Filterkörper, bei der üblicherweise mit Strömungsgeschwindigkeiten von 1000 m/h und mehr

gearbeitet wird, mit Sicherheit nicht möglich, und zwar deshalb, weil in diesem Falle der Verband der feinen, die Filterzellen bildenden Fasern, aufgrund der hohen Durchsatzgeschwindigkeit, beeinträchtigt bzw. die Fasern innerhalb der Filterzellen so verlagert und dadurch der Faserverband so verdichtet würde, daß daraus kurzfristig ein Infarkt der Filterzellen resultieren würde, in dem die Mehrzahl der feinen Fasern der Faserkügelchen nicht im Stützgerüst der Matrix gehalten, sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Filterkörper der eingangs beschriebenen Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung so zu verbessern, daß mit seiner Hilfe die Feinstabscheidung von Nebel- und Feststoffaerosolen aus Gasen, insbesondere Druckluft, möglich ist, wobei der Filterkörper sich dabei vor allem im submikronen Bereich durch ein wirkungsvolles Abscheidevermögen auszeichnen soll, so daß er auch zum Äusfiltern von Bakterien und Viren eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Matrix aus miteinander verbundenen. Materialteilchen gebildet ist, deren Erweichungstemperatur unter dem Erweichungspunkt der die Rocken bildenden Fasern liegt und daß die an der Peripherie der Faserflocken liegenden Enden der Fasern in die Matrix eingebunden sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß einer Flockenmenge ein zu de · Matrix verfestigbares, insbesondere pulverförmiges Bindemittel zugemischt wird, daß diese Mischung in eine Form eingebracht und in dieser Form auf einen Bruchteil des ursprünglichen Raumes unter Komprimieren der Faserflocken verdichtet wird und daß das Bindemittel auf trockenem Wege zu der Matrix verfestigt wird.

Bei einem sich durch diese Merkmale auszeichnenden Filterkörper sind somit an der Peripherie der Filterzellen Fasern derselben im Material der Matrix fest verankert, so daß die Packungsdichte der die Filterzellen bildenden Fasern auch in flüssigkeitsdurchtränktem Zustand des Fasergefüges und bei hoher Strömungsgeschwindigkeit des zu filtrierenden Gases mit Sicherheit erhalten bleibt, mit dem Resultat, daß sowohl der Druckverlust als auch der Abscheidewirkungsgrad stets im wesentlichen konstant bleibt

Die Erfindung basiert damit auf der Erkenntnis, daß die durch Faserflocken gebildetem Filterzellen in der Matrix bei der hohen Geschwindigkeit, mit der bei der Filtration von Gasen gearbeitet wird, üblicherweise beträgt sie 1000 m/h, durch Zusammenpressen ihrer Fasern in Strömungsriditung nicht so verdichtet werden dürfen, daß dadurch deren Durchdringung erschwert oder vöKig verhindert wird.

Beim erfindungsgemäßen Filterkörper bilden die in der Matrix enthaltenden Filterzellen jeweils für sich Feinstfilter mit definierter Packungsdichte unterschiedlicher Größe und Form, wobei im Innern der Faserflocken die einzelnen Fasern keine Bindung mit der Matrix eingehen, während im Bereich der Flockenperipherie eine Einbindung von Flockenfasern in das Material der Matrix gegeben ist, so daß in flüssigkeitsbenetztem Zustand die einzelnen Fasern der Faserflocken nicht unter der Wirkung der Oberflächenspannung agglomerieren und dadurch das Durchströmen erschweren und zugleich den Abscheidewirkungsgrad in erheblichem Umfange verschlechtern können.

Durch die aufgrund des Einschlusses von Faserflok· ken in die Matrix er^'elte Zellstruktur, in Verbindung mit einer anderen Durchlässigkeit in den Flocken einerseits und in der Matrix andererseits, kommt zwangsläufig ein Geschwindigkeiissprung beim Übergang von Matrixporen zu Filterzellen zustande, woraus eine fast sprunghafte Veränderung der örtlichen Durchströmungsgeschwindigkeit und dadurch optimale Abscheidebedingungen für bestimmte Teilchengrößen erzielt werden. Dadurch wird in Durchströmungsrichtung des Fluids ein sich abrupt und laufend veränderndes Geschwindigkeitsprofil erreicht, was die Voraussetzung tür eine optimale Abscheidewirkung von Nebeln oder Aerosolen unterschiedlicher Teilchengröße, insbesondere im submikronen Bereich, darstellt

Aufgrund der gegebenen Mannigfaltigkeit des verschachtelten Poren- und Zellsystems innerhalb des Filterkörpers kann selbst bei großen und/oder schnellen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sowie stark schwankender Eigenschaften des Partikelkollektivs ein Durchbruch von Teilchen durch den Filterkörper mit Sicherheil nicht erfolgen.

Für die die Faserflocken in sie¹: aufnehmende, die Matrix bildende Substanz kann mindestens zum Teil impermeables Material gewählt werden, so daß das Fluid seinen Weg vornehmlich durch die verdichteten Faserflocken bzw. Filterzellen nehmen muß, die in diesem Falle in der Matrix in solcher Konzentration vorzusehen sind, daß vielfach eine gegenseitige Verbindung derselben gegeben ist.

Der Abscheidewirkungsgrad von Faserfiltern wird zu einem wesentlichen Teil bestimmt vom Faserdurchmesser, von der Oberflächenbeschaffenheit der Fasern, von deren Packungsdichte und räumlicher Orientierung, von der Länge des Filtrationsweges, von den Eigenschaften des herauszufilternden Partikelkollektivs, z. B. von Flüssigkeitsnebeln, Aerosolen und anderen gasgetragenen Partikeln, wie Bakterien oder Viren, von dessen Teilchengrößenverteilung der Art von beispielsweise dispergierter Flüssigkeit (z. B. Viskosität und Oberflächenspannung), von der Konzentration und außerdem in wesentlichem Maße von der Durchströmungsgeschwindigkeit im Filtermedium.

Untpr Berücksichtigung dieser Parameter gestaltet sich der Abscheideprozess noch wesentlich vorteilhafter, wenn die Gerüstsubstanz der Matrix hochgradig porös ist In diesem Falle stehen die Faserflocken über Poren in der Wandung der sie aufnehmenden Vavernen in gegenseitiger Verbindung, wobei sich beim Filtrieren der Effekt erzielen läßt, daß die Wandung der porösen Zellwände des Filterkörpers in Durchströmungsrichtung des Fluids mehrstufig abscheidend wirken, und zwar dadurch, daß die die einzelnen Faserflocken aufnehmenden, durch das Gerüstmaterial der Matrix gebildeten Vavernen ein nebeneinander erfolgendes, aber teilweise örtlich getrenntes Ablaufen folgender Abscheidemechanismen ermöglichen. Im Wandbereich der Vavernen erfolgt überwiegend Prall- und Trägheitsabscheidung, während im reinen Faserverband der Filterzellen dominierend eine Diffusionsabscheidung stattfinden wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filterkörpers besteht darin, daß dieser auch zur Abscheidung hochaggressiver, submikroner Nebel und bei höheren Temperaturen eingesetzt werden kann. Beim Einsatz hierzu ist lediglich Voraussetzung, als Gerüst- und als Fasermatfirial Stoffe chemischer und thermischer Resistenz zu verwenden.

Der beim erfindungsgemäßen Filterkörper durch die Struktur erzwungene Ablauf der beschriebenen Abscheidemechanismen gewährleistet dabei einen optima-

len Gesamtabschcidewirkungsgrad. Die clic Faserflokken bildenden Faserstückc können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise zum Teil aus Glas und/oder einem Mineral, was den Vorzug bietet, daß die Oberfläche der l'ascrstückchen unverändert bleibt und somit deren gesamte Oberfläche im Hoekcininncrcn für den Abschcidcprozcß zur Verfügungsteht.

Die Paserstücke der Faserfloeken können ebensogut mm Teil aus Kunststoff, und zwar aus duroplastischcm oder thermoplastischem Kunststoff, oder teilweise zum Teil aus organischem Material, wie Baumwolle, oder auch aus Kohlenstoff bestehen.

Für das als Matrix dienende Gcrüstmatcrial kann ein geeignetes kalt- oder warmverfestigbares Material, beispielsweise Glas oder keramisches Material, Verwendung finden, Fbenso kann es mit Kunststoff vermischt oder gänzlich aus Kunststoff oder verkok- bzw. graphitierbarem organischem Material bestehen.

Der Abscheidewirkungsgrad, insbesondere für submikron kleine Teilchen, hängt unter anderem von der Länge des Durchströmungsweges innerhalb der Filterzellen ab. Aus diesem Grund ist mindestens bei einem erheblichen Teil der verdichteten Fascrfloiken bevor /ugt deren Abmessung in Durchstromimgsriehlung wesentlich größer als quer hierzu.

Optimale Filirationsergebnisse im submikronen Bereich lassen sich erzielen, wenn der Durchmesser der Faserstücke zwischen ungefähr 0.05 μ und 5 μ. vorzugsweise unter I μ beträgt, wobei es fertigungstechnisch günstig ist. wenn samtliche l'aserstücke einer Filterzelle im wesentlichen einen gleichen Durchmesser aufweisen.

Die trockene Verfestigung tier Matrix gewährleistet hierbei, daß die F-'lockenfasern, bevor sie in das erstarrende Gerüstmaterial eier Matrix eingebunden werden, nicht imstande sind, zu agglomerieren. Die Verfestigung des Gcrüstmatcrials wird man vorteilhaft thermisch bewerkstelligen.

Bevorzugt wird man die zur Verarbeitung kommenden Fa:serflocken in einer solchen Größe wählen, daß diese in losem Zustand vor dem Verdichten, im

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Matrix, ein Raumverhältnis /wischen 2 : I und 8:1. vorzugsweise 5 : 1 haben Dies bedeutet, daß beim Verdichten des in die Form eingebrachten Materials die I aserflocken deformiert werden, und zwar wird man den Verdichtungsdruck zweckmäßig ungefähr quer zur gewünschten Durchströnuingsrichtung des Fluids ausüben, so daß dann die Filterzellen flach gedrückt werden und quer zur Durchströmungsrichtung ihre kleinste Abmessung haben. Dadurch ergibt sich auch, daß das zu filtrierende Fluid einen möglichst langen Filtrationsweg in Durchströmungsrichtung zurücklegen muß. Es ist aber auch möglich, insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen, die bevorzugte Orientierung der komprimierten Filterzellen in Durchströmungsrichtung zu verlassen, wodurch aber zumindest eine Zunahme des Druckverlustes in Kauf zu nehmen ist.

Ausreichende Abscheidewirkung sowie ausreichende Formstabililät des Filterkörpers ist bereits gegeben, wenn, in Durchströmungsrichtung gesehen, in der Matrix wenigstens zwei Faserflocken hintereinander zu liegen kommen.

Die Flerstellung der Faserstücke kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bevorzugt wird man diese durch Trennen von einem Vlies herstellen, wobei bereits der Vorgang des Abtrennens größtenteils ein gegenseitiges Verhaken der einzelnen Faserstückchen bewirken und somit zu einer zusammenhängenden Flocke führen kann. Als Ausgangsmalcrial zur Flockenherstellung kann aber auch gepreßtes Fasermalerial verwendet werden, das durch Zerkleinern und entsprechendes Nachbehandeln in Flocken definierter Größe umzuwandeln ist. Das Vlies bzw. das gepreßte Fasermalerial wird man vorteilhaft so aufbereiten, daß zur Herstellung der Faserflocken Faserstückc in einer Länge von vorzugsweise größer als 2 mm und vorzugsweise kleiner als 15 mm anfallen. Zur Bildung der Matrix ist es schließlich gunstig, den Faserfloeken Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von Flocken zu Bindemittel von I : I bis I : 6, vorzugsweise I : 3.5 /ii/umischcn.

In der Zeichnung zeigt

F ig. I eine schaubildlichc Ansicht eines aufgeschnittenen hohlzylindrischcn Filterkörpers,

Fig. 2 einen Tcilschnitt durch den hohlzylindrischen Filterkörper, entlang der Linie 2-2 der Fig. 1. in größerem Maßstab als diese Figur,

Fig. J einen in Fig. 1 durch einen strichpunktierten Kreis angedeuteten Ausschnitt einer Schnittfläche des hohlzylindrischen Filterkörpers.

1 i g. 4 einen Teilschnitt durch den Filierkörper, entlang der Linie 4-4 der F i g. 3. in stark vergrößerter Darstellung.

Der in F i g. I dargestellte, als Ganzes mit 10 bezeichnete hohlzylindrische Filterkörper weist eine zugleich ein Stützgerüst bildende Matrix 12 auf. die aus einem in verfestigun Zustand porösen Material, beispielsweise aus Keramik oder aus einem geeigneten Kunststoff besteht. In diese Matrix sind als Ganzes mit 14 bezeichnete Filterzellen eingeschlossen, von denen jede von einer aus einer Fasermenge gebildeten Faserflocke ausgefüllt ist. Die Faserflocken bestehen beim vorliegenden Ausführungsbeispiel z. B. aus Glasfa sein, deren an der Flockenoberfläche vorhandene Faserstücke 15 bzw. Faserenden !6 in der Matrix gehalten sind. Die Fig. 3 und 4 verdeutlichen den Einschluß der Faserflocken in der Matrix. Aus diesen Darstellungen ist zu entnehmen, daß sich nahezu immer zwischen den die Faserflocken aufnehmenden Kaver-

Zellwand 18 befindet, die, in Richtung der Filterzelle gesehen, in einen lockerer formierten Wandbereich

Ji übergeht, in der einzelne Faserstücke 15 der Faserflckken mit Wandmaterial 22 gemischt sind und dadurch im peripheren Bereich der Faserflocken eine wirksame Verankerung derselben im Gerüstmaterial gegeben ist. An diesen Übergangsbereich schließt sich ein aus-

ϊο schließlich aus Faserstücken 15 bestehender Zellkern 24 an. wobei jedoch auch die sich dort befindenden Faserstücke zu einem überwiegenden Teil mit den Enden 16 in der Matrix 12 verankert sind, so daß die Faserflocken in den Wänden der Kavernen mehr oder weniger eingespannt bzw. verankert sind. Dieser Einbau der Faserflocken in die Matrix gewährleistet, daß die einzelnen Faserstücke in flüssigkeitsbenetztem Zustand nicht agglomerieren können, so daß in solchem Falle eine Veränderung des Flockengefüges nicht eintreten

6(1 und somit der Durchfluß des Fluids nicht behindert werden kann. Während des Trennprozesses kommt es damit innerhalb der permeabien Zellwand 18, im lockerer formierten Wandbereich sowie innerhalb der Filterzellen 14, im wesentlichen zu einer Prall- und/oder Trägheitsabscheidurtg, während im Innern der Zellkerne 24 bei Verwendung feinster Fasern vorwiegend eine Diffusionsabscheidung stattfindet Die gezeigten Filterkörper bilden somit ein Filtermedium, bei dem sowohl

die die Faserflocken bildenden Glasfasern als auch die poröse Matrix gemeinsam zum hohen Abscheide-Wirkungsgrad beitragen.

Wie aus Fig. I deutlich zu ersehen ist, sind die Filterzellen im fertigen Zustand des Filterkörpers in einer durch einen Pfeil P gekennzeichneten Richtung verdichtet, in der im wesentlichen senkrecht dazu, d. h. in Richtung des Pfeiles F, das Fluid den Filterkörper durchströmen wird.

Während bei der Herstellung der FiltjHcörper die Faserflocken in Form von Bäuschchen vorliegen,

nehmen sie, wenn sie verdichtet sind, die Form mehr flächiger Gebilde an, die in der Matrix derart orientiert sind, daß sie sich im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu der die Verdichtung bewirkenden Kraftrichtung P befinden. Dieses Verdichten der Faserflokken führt zwangsläufig, jedoch gewünscht, zu einer höheren Packungsdichte und damit zu einem entsprechend längeren, den FiltrationsprozeB begünstigenden Abscheideweg, woraus ein höherer Abscheidegrad resultiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. FiUerkörper zur Feinsiabscneidung von Nebel- und Fesistoffaerosolen aus Gasen, insbesondere Druckluft, mit einer aus verfestigtem Material gebildeten porösen Matrix, in der Filterzellen mit größerer Dichte als die Matrix in relativ dichter gegenseitiger Zuordnung verteilt eingelagert sind, die durch aus feinen Fasern kurzer Länge bestehenden Flocken gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (12) aus miteinander verbundenen Materialteilchen gebildet ist, deren Erweichungstemperatur unter dem Erweichungspunkt der die Flocken bildenden Fasern liegt und daß die an der Peripherie der Faserflocken liegenden Enden der Fasern in die Matrix (12) eingebunden sind.

   2. FiUerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bei einem erheblichen Teil der verdichteten Faserflocken die Abmessung in Durchströmungsrichtung wesentlich größer als quer hierzu ist.

   3. Filterkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserflocken ausschließlich aus aus Kohlenstoff bestehenden Fasern gebildet sind.

   4. FiUerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserflocken mindestens zum Teil aus organischem Material, wie Baumwolle und dgl., sind.

   5. Filterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser dtr Faserstücke (ta) zwischen ungefähr 0,05 μ und 5 μ, vorzugsweise unter 1 μ beträgt.

   6. FiUerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (12) aus kalt oder warm verfestigbarem Material ist.

   7. FiUerkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (12) mindestens zum Teil aus Kunststoff ist.

   8. FiUerkörper nach Anspruch I oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (12) aus verkokund/odergraphitierbarem Material ist.

   9. FiUerkörper nach Anspruch I oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (12) aus Glas oder keramischem Material ist.

   10. Verfahren zum Herstellen eines in den vorstehenden Ansprüchen definierten Filterkörpers, bei dem aus kurzen Faserstücken kleine Faserflokkcn gebildet und diese in mindestens eine zu einer die Form des Fillerkörpers aufweisenden Matrix verfestigbaren Trägersubstanz eingebunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß einer Flockenmenge ein zu der Matrix (12) verfestigbares, insbesondere pulverförmiges Bindemittel zugemischt wird, daß diese Mischung in eine Form eingebracht und in dieser Form auf einen Bruchteil des ursprünglichen Raumes unter Komprimieren der Faserflocken verdichtet wird und daß das Bindemittel auf trockenem Wege zu der Matrix verfestigt wird.

   11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumverhältnis der einzelnen Faserflocken in losem Zustand vor dem Verdichten /u dem in die Matrix (12) eingebrachten Zustand zwischen 2 : I und 8:1, vorzugsweise 5 : I liegt.

   12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichtungsdruck ungefähr quer zu der gewünschten Durchströmungsrichtung ausgeübt wird.

   13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß, in Durchströmungsrichtung gesehen, in der Matrix (12) wenigstens zwei Faserflocken hintereinander angeordnet werden.

   14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß

   in die Flocken durch Abtrennen von einem aus Fasern gebildeten Vlies gebildet werden.

   15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstücke (15) durch gegenseitiges Verhaken

   ι·: einen zusammenhängenden Körper bilden.

   16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Faserflocken Faserstückc (15) von vorzugsweise größer als 2 mm Länge und vorzugs-

   M weise kleiner als 15 mm verwendet werden.

   !7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Faserstücke (15) solche verwendet werden, die einen Durchmesser zwischen 0,05 μ und 5 μ,

   j > vorzugsweise 1 μ haben.

   18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß den Faserflocken Bindemittel zugemischt wird in einem Gewichtsverhältnis von Rocken zu Bindemit-

   jo tel von 1 :1 bis 1 :6. vorzugsweise 1 :3,5.