DE69324895T2

DE69324895T2 - Filteranordnung mit Filtereinsatz und Abdichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69324895T2
Application number: DE69324895T
Authority: DE
Inventors: Stephen A. Giebel; Tanweer U. Haq; Mark W. Johnson
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-11-22
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2013-11-23
Also published as: JPH0768106A; CA2109536A1; FI935540A; DE69324895D1; US5401406A; EP0601733A1; FI935540A0; EP0601733B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Filteranordnungen, welche beispielsweise dazu verwendet werden können, Feststoffteilchen aus Hochtemperatur-Fluiden zu entfernen.
Filter vom Kerzentyp werden typischerweise in industriellen Verfahren zum Reinigen von Fluiden entweder in der Gasphase oder in der Flüssigphase verwendet. Typische Anwendungen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Vorrichtungen für die Kohlevergasung, Vorrichtungen für die Wirbelschichtverbrennung, Schmelzöfen und katalytische Crackanlagen.
Wie in U.S.-Patent Nr. 4,725,356 offenbart, umfassen herkömmliche Filter vom Kerzentyp im allgemeinen einen Tank oder Druckbehälter, welcher mittels eines verhältnismäßig steifen Tragelements, Rohrplatte genannt, in einen Einlaßbereich und einen Auslaßbereich geteilt ist. Die Rohrplatte bildet vorzugsweise eine fluidundurchlässige Abdichtung zwischen dem Einlaßbereich und dem Auslaßbereich und weist typischerweise eine Reihe von Löchern oder Öffnungen auf, welche voneinander beabstandet sind. Filterelemente sind in den Öffnungen der Rohrplatte angeordnet.
Ein Typ eines herkömmlichen Filterelements ist aus einem porösen Keramikmaterial hergestellt und wird üblicherweise als Filterkerze bezeichnet. Filterkerzen sind besonders wirkungsvoll beim Entfernen von Feststoffteilchen aus Gasen, welche unter hohem Druck stehen und eine hohe Temperatur aufweisen. Eine Filterkerze umfaßt typischerweise ein hohles zylindrisches Rohr, welches einen engen länglichen Querschnitt aufweisen kann, beispielsweise mit einem Durchmesser im Bereich von 5 bis 17 cm und einer Länge im Bereich von 0,1 bis 3,0 m. Das hohle Rohr weist typischerweise ein geschlossenes Ende, ein offenes Ende und eine poröse Seitenwandung aus Keramik auf. Die poröse Seitenwandung erstreckt sich zwischen den Enden des Rohrs und definiert einen inneren Hohlraum, welcher an dem offenen Ende des Rohrs mündet. Das offene Ende des Rohrs weist üblicherweise einen Flansch auf.
Bei einer typischen Anordnung sind ein oder mehrere Filterelemente vertikal in dem Tank angeordnet. Jedes Filterelement wird durch eine Öffnung in der Rohrplatte gesteckt und wird normalerweise so positioniert, daß sich die poröse Seitenwandung und das geschlossene Ende in dem Einlaßbereich des Tanks befinden, während der Flansch des Rohrs an der Rohrplatte montiert ist, wobei das offene Ende des Filterelements mit dem Auslaßbereich des Tanks verbunden ist. Der Flansch weist einen Durchmesser auf, welcher größer ist als derjenige der Seitenwandung des Filterelements, und ermöglicht, daß das Filterelement in der Rohrplatte gehalten wird und von dieser herabhängt. Ein Dichtungsmaterial kann zwischen dem Flansch und der Rohrplatte angeordnet sein, um eine Abdichtung zu bilden und zu verhindern, daß ungefiltertes Prozeßfluid an dem Filterelement vorbeiströmt. Ein Mechanismus zum Festklemmen der Filterelemente an der Rohrplatte zum Befestigen der Filterelemente in der richtigen Stellung und zum Aufrechterhalten der Abdichtung ist ebenfalls vorgesehen. Eine Anordnung dieser Art ist in DE-U-90 14 198 gezeigt. Eine ähnliche Anordnung ist in EP-A1-0446422 gezeigt.
Wenn die Filterelemente in ihren Stellungen montiert sind, wird ein Fluid, etwa ein mit Feststoffteilchen beladenes Gas, in den Einlaßbereich des Tanks eingeführt. Aus dem Einlaßbereich tritt das Gas durch die poröse Wandung jedes Filterelements, wo die Feststoffteilchen aus dem Gas entfernt werden, und in den inneren Hohlraum. Das gefilterte Gas wird dann in axialer Richtung entlang dem inneren Hohlraum der Filterelemente und in den Auslaßbereich geleitet. Wenn das Fluid durch die porösen Wandungen der Filterelemente tritt, sammeln sich Feststoffteilchen an der Anströmseite der Filterelemente an. Im Lauf der Zeit häufen sich die Feststoffteilchen auf der Anströmseite an und bilden einen Filterkuchen aus Feststoffteilchen. Der Aufbau des Feststoffteilchenkuchens verhindert den Fluidfluß und bewirkt dadurch die Notwendigkeit, die Filterelemente in regelmäßigen Zeitabständen zu reinigen oder auszutauschen.
Ein besonders wirkungsvolles Verfahren zum Reinigen der Filterelemente ist die Verwendung eines unter hohem Druck stehenden Gasstroms in umgekehrter Richtung (Reverse Flow). Beispielsweise kann die Reinigung dadurch bewirkt werden, daß eine Düse für Reverse-Flow-Reinigungsfluid sehr nahe am offenen Ende des Filterelements montiert wird. Ein unter hohem Druck stehendes Fluid (z. B. Schutzgas, Luft oder Dampf) wird in das Filterelement in umgekehrter Richtung zu dem normalen Fluidfluß eingeführt. Das unter hohem Druck stehende Reinigungsfluid wird schnell an- und abgestellt, um einen Hochdruckpuls in der Rückströmrichtung zu erzeugen, wobei der auf der Anströmseite der Filterelemente gebildete Feststoffteilchenkuchen abgelöst wird.
Leider sind herkömmliche Filter vom Kerzentyp für eine Reihe von Störungen anfällig. Beanspruchung aufgrund von unrichtigem Festklemmen, mechanischen Schwingungen, ungleichmäßigen Konturen auf der Filteroberfläche oder dem Träger, sowie Wärmeschock kann eine Beschädigung des Filterelements oder ein Durchsickern durch die Dichtung zur Folge haben. Rückstromreinigen oder Rückspülen kann die Filterelemente einem Wärmeschock aussetzen, falls das unter hohem Druck stehende Reverse-Flow-Fluid nicht dieselbe Temperatur aufweist wie die Filterelemente. Außerdem erzeugt die Verwendung eines Pulses von unter hohem Druck stehendem Reverse-Flow-Reinigungsfluid Schwingungen und eine mechanische Beanspruchung der Filterelemente. Bei Filterkerzen stellt Rißbildung am Flansch aufgrund von Beanspruchung eine verbreitete Art des Versagens dar.
Außerdem werden die Rohrplatte und der Festklemm-Mechanismus typischerweise unter Verwendung einer Metallegierung hergestellt, während das Filterelement typischerweise aus einem Ke ramikmaterial hergestellt wird. Da Keramikmaterialien typischerweise einen viel niedrigeren Koeffizienten der Wärmeausdehnung als Metallegierungen aufweisen, können sich die Keramikfilterelemente und die metallene Rohrplatte und Festklemm- Mechanismus aufgrund von Temperaturänderungen mit unterschiedlichen Raten ausdehnen. Diese unterschiedlichen Raten der Wärmeausdehnung können eine Verringerung der Klemmkraft und ein Sickern an der Dichtung vorbei zur Folge haben.
Daher stellt die vorliegende Erfindung eine Filteranordnung bereit, umfassend eine Dichtungsvorrichtung mit ersten und zweiten Oberflächen, ein kompressibles Material und ein Filterelement, wobei das Filterelement einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher niedriger ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Dichtungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Oberfläche des Filterelements mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten die erste Oberfläche der Dichtungsvorrichtung umgibt, wobei das kompressible Material dazwischen angeordnet ist, und daß eine zweite Oberfläche des Filterelements der zweiten Oberfläche der Dichtungsvorrichtung zugewandt ist, wobei das kompressible Material dazwischen angeordnet ist, wobei das kompressible Material zwischen den zweiten Oberflächen bei einer ersten vorher festgelegten Temperatur zusammengedrückt wird, und wobei die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einem Anstieg der Temperatur der Filteranordnung auf eine zweite vorher festgelegte Temperatur, welche höher ist als die erste vorher festgelegte Temperatur, zusammenwirkend das Zusammendrücken des kompressiblen Materials zwischen den ersten Oberflächen bewirken, um eine Abdichtung bei sowohl der ersten als auch der zweiten vorher festgelegten Temperatur zu bilden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden daher einen Mechanismus, welcher von den herkömmlichen Vorrichtungen zum Aufrechterhalten einer Abdichtung gänzlich verschieden ist: die Dichtungsvorrichtung und das Filterelement können verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und diese ver schiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten können vorteilhaft genutzt werden, um die Zuverlässigkeit, Wirksamkeit und Effizienz einer Abdichtung zu erhöhen. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß ein Filterelement in einer Filteranordnung effektiv abgedichtet ist.
Ein anderer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Beanspruchung an dem Flansch des Filterelements stark verringert ist.
Zusätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen die Abdichtung des Filterelements im gesamten Wertebereich der Betriebstemperatur der Filteranordnung; das Vorsehen von mehreren Dichtungsoberflächen zum Verbessern der Zuverlässigkeit; und das Vorsehen eines Dichtungsmechanismus, welcher auch dazu dient, die Effizienz der Rückspülreinigung zu erhöhen.
Fig. 1 ist ein Schnitt einer ersten Ausführungsform einer Filteranordnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Schnitt, welcher die Details der in der Filteranordnung von Fig. 1 verwendeten Dichtungsvorrichtung zeigt;
Fig. 3A ist eine Draufsicht der Dichtungsvorrichtung von Fig. 2;
Fig. 3B ist eine Seitenansicht der Dichtungsvorrichtung von Fig. 3A;
Fig. 4 ist ein Schnitt einer zweiten Ausführungsform einer Filteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 ist ein Schnitt, welcher Details einer dritten Ausführungsform einer Filteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Was Fig. 1 betrifft, umfaßt eine erste beispielhafte Filteranordnung 1, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, im wesentlichen einen Drucktank 2, eine steife Platte oder Rohrplatte 3, welche sich quer durch das Innere des Tanks erstreckt, ein oder mehrere Filterelemente 4, welche in dem Tank 2 angeordnet sind, und eine oder mehrere Dichtungsvorrichtungen 5 zum dichten Verbinden der Filterelemente 4 mit der Rohrplatte 3. Ein Einlaßbereich 6 des Drucktanks 2 kann von einem Auslaßbereich 7 des Drucktanks 2 durch die Rohrplatte 3 dicht abgeteilt sein. Ein Einlaß 8 kann mit dem Einlaßbereich 6 verbunden sein, um ein Fluid in die Filteranordnung 1 einzuführen. Ein Auslaß 9 kann mit dem Auslaßbereich 7 verbunden sein, um das Fluid zu entfernen, sobald es durch die Filterelemente 4 durchgetreten ist. Gegebenenfalls kann ein Rückspülreinigungssystem (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um ein unter hohem Druck stehendes Fluid in der umgekehrten Richtung zum Reinigen der Filterelemente 4 einzuführen, und ein Kühlsystem (nicht gezeigt) einschließlich Kühlmittelrohren kann in der Rohrplatte vorgesehen sein, um die Temperatur der Rohrplatte unterhalb eines vorher festgelegten Werts zu halten.
Jedes Filterelement 4 ist vorzugsweise schmal und länglich. Es kann ein geschlossenes oder blindes Ende, ein offenes Ende und eine poröse Seitenwandung umfassen. Die Seitenwandung erstreckt sich von dem geschlossenen Ende zu dem offenen Ende und weist eine innere Oberfläche auf, welche einen Hohlraum definiert, der an dem offenen Ende mündet. Das Filterelement 4 ist vorzugsweise ein aus einem porösen Keramikmaterial hergestelltes Filter. Das Keramikmaterial kann aus solchen Zusammensetzungen wie Si&sub3;N&sub4;, Mullit, Cordierit (MgO, Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;), feuerfestem Ton, Aluminiumsilikatfasern, Tonerde, Tonerde/Mullit und auf Siliciumcarbid basierenden Materialien hergestellt sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine hohle poröse Filterkerze aus Keramik als das Filterelement 4 verwendet.
Fig. 2 stellt eine als Schnitt gezeigte Ansicht der Details der Anordnung des Filterelements 4 in der Rohrplatte 3 einer ersten Ausführungsform der Filteranordnung 1 von Fig. 1 dar. Bei dieser Ausführungsform wird das Filterelement 4 von der oberen Seite der Rohrplatte 3 durch ein Loch oder eine Öffnung 11 in der Rohrplatte 3 gleitbar eingesteckt. Das offene Ende des Filterelements 4 kann einen Flansch 12 umfassen, welcher verhindert, daß das Filterelement 4 gänzlich durch die Öffnung 11 durchtritt. Der Flansch 12 kann sich in einem geeigneten Winkel zu einer Achse 28 des Filterelements 4 befinden. Wenn der Flansch in einem rechten Winkel angeordnet ist, kann der Flansch mit der Oberseite der Rohrplatte 3 oder einer Lippe, welche in der die Öffnung 11 definierenden Wandung ausgebildet ist, in Eingriff stehen. Bei der ersten Ausführungsform verläuft der Flansch 12 in einem spitzen Winkel schräg nach oben und wirkt mit einem entsprechenden Aufnahmeprofil 13, z. B. einer ringförmigen Abfasung, in der Wandung der Öffnung zusammen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird vorzugsweise eine Dichtungsvorrichtung 5 verwendet, um das Filterelement 4 mit der Rohrplatte 3 dicht zu verbinden. Bei der ersten Ausführungsform wirkt die Dichtungsvorrichtung 5 auch als ein Halteelement zum sicheren Befestigen jedes Filterelements 4 an der Rohrplatte 3. Die Dichtungsvorrichtung 5 kann als ein einziges, einstückig ausgebildetes Teil oder aus zwei oder mehr getrennten Teilstücken zum Beispiel mittels maschineller Bearbeitung, Formung, Stanzen oder Gießen gefertigt sein. Wenn sie aus zwei oder mehr Teilen hergestellt ist, können die Teilstücke der Dichtungsvorrichtung 5 durch verschiedene Verfahren, wie etwa als Schweiß-, Gewinde- oder Preßpaßverbindung, miteinander verbunden werden. Ferner kann die Dichtungsvorrichtung 5 unterschiedlich ausgebildet sein, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die dargestellte Dichtungsvorrichtung 5, wie in den Fig. 3 bis 4 gezeigt, einen flachen ebenen oder scheibenförmigen Abschnitt 15 und einen hohlen zylindrischen Abschnitt 16, welche einstückig ausgebildet sind, umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann es wünschenswert sein, daß eine ebene untere Oberfläche des scheibenförmigen Ab schnitts 15 einen größeren Durchmesser aufweist als der zylindrische Abschnitt 16 und sich radial nach außen über eine äussere Oberfläche 21 des hohlen zylindrischen Abschnitts 16 hinaus erstreckt, wodurch die ringförmige untere Oberfläche 20 gebildet wird.
Die Dichtungsvorrichtung 5 umfaßt einen inneren Durchlaß 19, welcher durch die Vorrichtung von einem offenen Ende zu einem anderen führt. Beispielsweise erstreckt sich in der dargestellten Dichtungsvorrichtung 5 der Durchgang 19 axial durch den hohlen zylindrischen Abschnitt 16 und durch die plane Oberfläche des scheibenförmigen Abschnitts 15. Die Konfiguration des inneren Durchlasses 19 kann so gestaltet sein, daß er eine Venturidüse oder eine Düse 17 bildet, oder auch nicht. Die Düse 17 oder eine alternative Kapillarkonfiguration (Strahlrohrkonfiguration) kann dafür verwendet werden, die Geschwindigkeit des in der umgekehrten Richtung fließenden Fluids zu erhöhen und somit die Effektivität des Rückspülens zu verbessern, wenn die Filterelemente 4 gereinigt werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Durchlaß 19 vorzugsweise als eine Mehrzahl von inneren Durchlässen ausgebildet werden. Wenigstens einer dieser mehreren inneren Durchlässe kann in einer Düsen-, Kapillar- oder Strahlrohrkonfiguration ausgebildet sein, um ein Mittel zum Verbessern der Effizienz des Rückspülens zu bieten. Bei noch einer anderen Ausführungsform kann der innere Durchlaß einfach eine zylindrische Bohrung sein.
Chemische Korrosion kann als Folge der Chemikalien in den Fluiden, welche zur Behandlung durch die Filteranordnung durchgeleitet werden, auftreten. Infolgedessen wird die Dichtungsvorrichtung 5 vorzugsweise aus einem Material gefertigt, welches korrosionsbeständig ist, beispielsweise eine gegen hohe Temperatur und Korrosion beständige Metallegierung wie etwa RA333, erhältlich von Rolled Alloys of Temperance, MI.
Die Dichtungsvorrichtung 5 ist in Fig. 2 so gezeigt, wie sie in einer Filteranordnung 1 eingebaut aussehen könnte. Die Dich tungsvorrichtung 5 ist über dem oberen Teil des Filterelements 4 angeordnet, wobei sich der hohle zylindrische Abschnitt 16 ein Stück weit in den Hohlraum des Filterelements 4 hinein erstreckt. Beispielsweise kann sich der zylindrische Abschnitt 16 der Dichtungsvorrichtung 5 in den inneren Hohlraum des Filterelements 4 über eine Entfernung erstrecken, welche wenigstens so groß wie die Dicke der Rohrplatte 3 ist. Es kann wünschenswert sein, ein kompressibles Dämpfungs- und/oder Dichtungsmaterial 14 zwischen dem Filterelement 4 und der Rohrplatte 3 und/ oder zwischen der Dichtungsvorrichtung 5 und dem Filterelement 4 anzuordnen. Hei einer bevorzugten Ausführungsform kann das kompressible Material 14 ein gegen hohe Temperaturen beständiges Dichtungsmaterial, am meisten bevorzugt ein Keramikfasermaterial wie etwa das unter der Handelsbezeichnung Interam von 3M Corporation erhältliche Material, umfassen.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist das kompressible Material 14 zwischen dem Filterelement 4 und der Rohrplatte 3 nur in dem Bereich der Rohrplatte angeordnet, welcher das Aufnahmeprofil 13 bildet. Natürlich kann das kompressible Material 14 in dem gesamten Bereich zwischen dem Filterelement 4 und der Rohrplatte 3 angeordnet sein. Die Öffnungen in der Rohrplatte 3 können Bereiche aufweisen, welche sehr gut z dem Profil des äußeren Bereichs des Filterelements 4 passen, insbesondere zu dem Flansch 12. Das zwischen der Rohrplatte und dem Filterelement 4 angeordnete kompressible Material bewirkt die Dämpfung von Schwingungen, welche von dem Drucktank 2 zu dem Filterelement 4 übertragen werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann es wünschenswert sein, das kompressible Material 14 zwischen dem scheibenförmigen Abschnitt 15 der Dichtungsvorrichtung 5 und dem oberen Teil des Filterelements 4 sowie zwischen der Außenseite des hohlen zylindrischen Abschnitts 16 der Dichtungsvorrichtung 5 und der inneren Oberfläche des Filterelements 4 anzuordnen. Das kompressible Material 14 dient als Dämpfung und/oder als Dichtung. Das kompressible Material 14 kann auch dazu dienen, zu verhin dern, daß in dem Filterelement 4 ungleichmäßige Spannungen aufgrund von Ungleichmäßigkeiten auf den wechselwirkenden Oberflächen des Filterelements 4, der Dichtungsvorrichtung 5 und/oder der Rohrplatte 3 erzeugt werden. Die Verwendung des kompressiblen Materials 14 ist dann besonders von Nutzen, wenn das Filterelement 4 ein keramisches Material umfaßt. Ein Keramikmaterial weist eine viel geringere Duktilität auf, d. h. eine geringere Fähigkeit der Deformierung unter Spannung vor dem Bruch. Wenn zwei Oberflächen miteinander in Kontakt stehen, stellt der Kontaktbereich typischerweise die höchsten Punkte auf den beiden Oberflächen dar. Wenn eine Kompressionskraft darauf angewendet wird, werden die hohen, in Kontakt stehenden Punkte aufgrund der Duktilität der miteinander in Kontakt befindlichen Materialien deformiert und ermöglichen einem immer größeren Teil der beiden Oberflächen, miteinander in Kontakt zu kommen, wodurch die Spannungen an den Kontaktstellen verringert werden. Keramik weist eine sehr geringe Duktilität auf und neigt dazu, die Spannungen auf die anfänglichen Kontaktstellen zu konzentrieren. Wenn ein kompressibles Material an der Grenzfläche zwischen zwei Keramikoberflächen oder einer Keramikoberfläche und einer Metalloberfläche verwendet wird, wird die Verteilung der Spannung signifikant verbessert. Die Verwendung des kompressiblen Materials verringert die Wahrscheinlichkeit von Brüchen aufgrund dieser Spannung.
Eine Vorspannkraft kann zum Zusammendrücken des kompressiblen Materials 14 zwischen dem oberen Teil des Filterelements 4 und der unteren ringförmigen Oberfläche 20 des scheibenförmigen Halteabschnitts 15 verwendet werden. Die Vorspannkraft sollte vorzugsweise groß genug sein, um das kompressible Material 14 ausreichend zusammenzudrücken, um zu verhindern, daß Fluid zwischen der unteren Oberfläche 20 des scheibenförmigen Halteabschnitts 15 und dem oberen Teil des Filterelements 4 fließt. Die auf die Dichtungsvorrichtung 5 einwirkende Vorspannkraft kann aufrechterhalten werden, indem die Dichtungsvorrichtung 5 mittels eines geeigneten Verfahrens, einschließlich eines mechanischen Verfahrens oder Mechanismus wie etwa Schweißen, Ver schrauben, einer Gewindeverbindung, Einrasten, Verriegeln oder einer Bolzen-Steckverbindung, an der Rohrplatte 3 sicher befestigt wird. Die Art der Verbindung sollte Schwingungen und Wärmeschock standhalten können, welche zum Beispiel infolge der Reinigung der Filterelemente mittels Pulsen auftreten können. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der scheibenförmige Abschnitt 15 der Dichtungsvorrichtung an die Rohrplatte angeschweißt. Die Schweißnaht dient ferner als eine Abdichtung, welche verhindert, daß das zu filternde Fluid an dem Filterelement 4 vorbeiströmt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weisen die Dichtungsvorrichtung 5 und das Filterelement 4 vorzugsweise verschiedene Raten der Wärmeausdehnung auf, und diese verschiedenen Wärmeausdehnungsraten bewirken eine Abdichtung zwischen dem Filterelement 4 und der Dichtungsvorrichtung 5 im gesamten Bereich der Systemtemperaturen. Während des Anfahrens und Abstellens und an anderen Zeitpunkten ist die Filteranordnung verhältnismäßig niedrigen Temperaturen und Drücken ausgesetzt, z. B. Umgebungsdruck und Raumtemperatur. Dann wird vorzugsweise zwischen dem oberen Teil des Filterelements 4 und dem scheibenförmigen Abschnitt 15 der Dichtungsvorrichtung 5 eine Abdichtung aufrechterhalten, indem das kompressible Material 14 aufgrund des auf die Dichtungsvorrichtung 5 während der Installation ausgeübten Vorspanndrucks zusammengedrückt wird.
Andererseits können Betriebstemperatur und -druck viel höher sein. Beispielsweise kann die Filteranordnung 1 bei einer Temperatur von ungefähr 300ºC bis 1000ºC und bei einem Druck von ungefähr 2 bis 10 Atmosphären betrieben werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden vorzugsweise eine Dichtungsvorrichtung und ein Filterelement 4 mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten und nutzen die verschiedenen Wärmeausdehnungsraten für eine noch dichtere Verbindung des Filterelements 4 mit der Dichtungsvorrichtung bei diesen hohen Temperaturen. Beispielsweise kann bei einer bevorzugten Ausführungsform die Dichtungsvorrichtung 5 aus einer Metallegierung konstruiert sein, während das Filterelement 4 aus einem Keramikmaterial hergestellt sein kann. Keramikmaterialien weisen typischerweise einen viel niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als Metalle. Daher kann sich, wenn die Temperatur der Filteranordnung 1 während des Betriebs erhöht wird, die Dichtungsvorrichtung 5 aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metallen und Keramikmaterialien schneller ausdehnen als das Filterelement 4.
Der Temperaturanstieg kann eine allmähliche Vergrößerung des relativen Abstands zwischen dem oberen Ende des Filterelements 4 und der unteren Oberfläche 20 des scheibenförmigen Halteabschnitts 15 zur Folge haben. Dies kann die auf das kompressible Material 14 zwischen dem oberen Teil des Filterelements 4 und der unteren Oberfläche 20 des scheibenförmigen Halteabschnitts 15 einwirkende Kompressionskraft verringern und dadurch die Abdichtungseffizienz vermindern. Zwar kann die Abdichtungseffizienz zwischen dem oberen Teil des Filterelements 4 und dem Boden des scheibenförmigen Halteabschnitts 15 verringert sein, doch wird die insgesamte Effizienz der Abdichtung zwischen dem Filterelement 4 und der Dichtungsvorrichtung 5 beibehalten.
Der Temperaturanstieg hat auch zur Folge, daß sich der hohle, zylindrische Abschnitt 16 der Dichtungsvorrichtung 5 schneller ausdehnt als das Filterelement 4. Dies bewirkt die Verringerung des Spielraums zwischen dem hohlen zylindrischen Abschnitt 16 und der inneren Oberfläche des Filterelements 4, wodurch das kompressible Material 14 zusammengedrückt und der zylindrische Abschnitt 16 der Dichtungsvorrichtung 5 noch enger mit der inneren Oberfläche des Filterelements 4 dichtend verbunden wird. Auf diese Weise wird eine wirkungsvolle Abdichtung im gesamten Bereich der Systemtemperaturen aufrechterhalten.
Außerdem wird eine wirkungsvolle Abdichtung selbst nach wiederholten Temperaturwechseln aufrechterhalten. Das Aufweisen sowohl einer bei niedrigen Temperaturen kompressiblen Abdichtung als auch einer bei hohen Temperaturen kompressiblen Abdichtung bewirkt eine höhere Zuverlässigkeit als diejenige von herkömmlichen Vorrichtungen, welche nur eine Hochtemperaturabdichtung oder eine Niedertemperaturabdichtung aufweisen. Ohne die Verwendung sowohl einer Niedertemperaturabdichtung als auch einer Hochtemperaturabdichtung kann das kompressible Material nach wiederholten Temperaturwechseln übermäßig zusammengedrückt sein und eine verringerte Zuverlässigkeit zur Folge haben. Durch das Aufweisen sowohl der Niedertemperaturabdichung als auch der Hochtemperaturabdichtung wird keine der Abdichtungen an irgendeinem Punkt des Temperaturzyklus übermäßig zusammengedrückt. Die Niedertemperaturabdichtung dichtet bei niedrigen Temperaturen ab, die Hochtemperaturabdichtung dichtet bei hohen Temperaturen ab, und eine wirkungsvolle Abdichtung wird sowohl von der Nieder- als auch der Hochtemperaturabdichtung bei mittleren Temperaturen aufrechterhalten, was eine erhöhte Zuverlässigkeit zur Folge hat.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen den zusätzlichen Vorteil auf, daß die Beanspruchung durch Wärmeschock und Schwingung zu einem länglichen Bereich entlang der inneren Oberfläche des Filterelements 4 verteilt wird, wodurch die Beanspruchung an dem Flansch verringert wird. Wie schon erwähnt, stellt die Rißbildung in dem Flansch ein häufiges Versagen der Filterelemente dar. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können sich über eine signifikante Entfernung über den Flansch hinaus in das Filterelement 4 hinein erstrecken, selbst über die Tiefe der Rohrplatte hinaus. Auf diese Weise wird die durch Schwingung und Wärmeschock verursachte Beanspruchung über einen größeren Bereich des Filterelements verteilt. Außerdem, wenn ein Riß an dem Flansch auftritt, können erfindungsgemäße Ausführungsformen verhindern, daß bei Betriebstemperaturen Feststoffteilchen aussickern, da der hohle zylindrische Abschnitt der Dichtungsvorrichtung eine Abdichtung bildet, welche sich bis unterhalb des Flanschs des Filterelements erstrecken kann.
Eine zweite beispielhafte Filteranordnung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, ist in Fig. 4 dargestellt. (Viele der Komponenten der zweiten Ausführungsform sind gleich den Komponenten der ersten Ausführungsform und sind durch identische Bezugsziffern bezeichnet.) Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Dichtungsvorrichtung eine Rohrplatte 3 mit einem hohlen zylindrischen Teil 37, welcher um eine Öffnung 11 in der Rohrplatte 3 herum angeordnet ist. Der hohle zylindrische Teil kann zwar von der unteren Oberfläche der Rohrplatte abstehen, doch in der dargestellten Ausführungsform steht er von der oberen Oberfläche ab. Der hohle zylindrische Teil kann mit der Rohrplatte mittels verschiedener Verfahren verbunden sein, etwa durch eine Schweiß-, Gewinde- oder Preßpaßverbindung, oder er kann mit dieser einstückig ausgebildet sein.
Das Filterelement 4 ist vorzugsweise ein Keramikfilter, etwa eine Filterkerze aus Keramik, und es kann gemäß herkömmlichen Verfahren wie etwa Formung, isostatischem Pressen, Extrusion oder maschinellem Bearbeiten hergestellt werden. Das Filterelement 4 weist einen offenen Endbereich auf, welcher einen Flansch 12 umfaßt. Der Flansch 12 seinerseits kann eine Öffnung umfassen, etwa eine ringförmige Nut 23, welche oberhalb des inneren Hohlraums des Filterelements 4 angeordnet ist, wobei die Rohrplatte dem Endbereich des Flanschs 12 zugewandt ist. Die ringförmige Nut kann zwar nach oben in die Richtung des offenen Endes weisen, doch bei der dargestellten Ausführungsform weist sie nach unten in die Richtung des geschlossenen Endes des Filterelements.
Der hohle zylindrische Teil 37 der Rohrplatte greift in die ringförmige Nut in dem Filterelement 4 ein. Ein kompressibles Dichtungs- und/oder Dämpfungsmaterial 14 kann an jeder Stelle zwischen der Rohrplatte und dem Filterelement angeordnet sein, beispielsweise zwischen einer äußeren zylindrischen Wandoberfläche 38 des hohlen zylindrischen Teils 37 und einer nach innen weisenden Oberfläche 39 der ringförmigen Nut 23. Außerdem kann ein kompressibles Dichtungs- und/oder Dämpfungsmaterial zwischen einer oberen Wandoberfläche 40 des hohlen zylindrischen Teils 37 und einer nach unten weisenden Oberfläche der ringförmigen Nut 23 angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform kann das Filterelement 4 unter Verwendung eines jeden geeigneten Mechanismus einschließlich des Gewichts des Filterelements festgehalten werden. So kann wie bei der ersten Ausführungsform sowohl eine Hochtemperatur- als auch eine Niedertemperaturabdichtung erhalten werden. Alternativ, wenn nur eine Hochtemperaturabdichtung gewünscht wird, braucht das kompressible Dichtungs- und/oder Dämpfungsmaterial nur um die äußere zylindrische Wandoberfläche 38 herum angeordnet zu sein.
Die Dichtungsvorrichtung dieser zweiten Ausführungsform wirkt nicht als Haltevorrichtung. Daher kann eine separate Haltevorrichtung, zum Beispiel ein Klemm-Mechanismus wie etwa eine Halteplatte, mit der Rohrplatte verbunden werden, um jedes Filterelement an der Rohrplatte fest zu halten und eine Vorspannkraft zum Drängen des Filterelements gegen die Rohrplatte zu bewirken, wie zuvor bezüglich der ersten Ausführungsform erläutert. Jedoch, wenn der hohle zylindrische Teil 37 nach oben absteht und die ringförmige Nut 23 nach unten weist, drängt das Gewicht des Filterelements 4 den Flansch 12 gegen den hohlen zylindrischen Teil 37 hin. Wenn die von dem Gewicht des Filterelements 4 bewirkte, nach unten wirkende Schwerkraft jede auf das Filterelement 4 nach oben wirkende Kraft, welche aufgrund von durch die Filteranordnung fließendem Fluid erzeugt wird, wesentlich übersteigt, kann die Haltevorrichtung nicht erforderlich sein.
Im Betrieb funktioniert die zweite Ausführungsform gleich wie beim Betrieb der ersten Ausführungsform. Die Rohrplatte 3 ist aus einem Material hergestellt, z. B. einem Metall wie etwa Edelstahl, welches sich bei Temperatur schneller ausdehnt als das Material, z. B. Keramik, aus welchem das Filterelement 4 hergestellt ist. Wenn die Temperatur ansteigt, vergrößert sich der Umfang des hohlen zylindrischen Teils 37 der Rohrplatte 3 schneller als der Umfang der ringförmigen Nut 23 des Filterele ments 4. So bewirken bei hohen Temperaturen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Rohrplatte 3 und dem Filterelement 4 das Zusammendrücken des kompressiblen Materials 14 zwischen der äußeren zylindrischen Wandoberfläche 38 des hohlen zylindrischen Teils 37 und der nach innen weisenden Oberfläche 39 der ringförmigen Nut 23, welches dem inneren Durchlaß zugewandt ist, wodurch das Filterelement dicht mit der Rohrplatte verbunden wird und Spannung gleichmäßiger entlang dem Flansch des Filterelements verteilt wird. Diese zweite Ausführungsform weist darin einen weiteren Vorteil auf, daß der hohle zylindrische Teil 37 nicht direkt in dem Fluidfließweg angeordnet und daher weniger korrosionsanfällig ist und durch Verwendung desselben Systems, welches zum Kühlen der Rohrplatte 3 verwendet wird, leicht gekühlt werden kann.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. (Viele der Komponenten der dritten Ausführungsform sind gleich wie die Komponenten der ersten Ausführungsformen und mit identischen Bezugsziffern bezeichnet.) Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Dichtungsvorrichtung auch eine Rohrplatte 3 mit einem hohlen zylindrischen Teil 37, welcher um eine Öffnung 11 in der Rohrplatte 3 herum angeordnet ist. Der hohle zylindrische Teil 37 definiert einen inneren Durchlaß 19, welcher mit der Öffnung 11 gekoppelt ist. Der innere Durchlaß 19 kann ein Mittel zum Erhöhen der Effizienz des Rückspülens, wie bezüglich der ersten Ausführungsform erörtert, umfassen. Die Rohrplatte 3 und der hohle zylindrische Abschnitt 36 können einstückig ausgebildet sein, zum Beispiel durch maschinelle Bearbeitung, Formung, Stanzen oder Gießen. Wenn die Rohrplatte 3 und der hohle zylindrische Abschnitt 36 aus zwei oder mehr separaten Elementen hergestellt sind, können sie durch verschiedene Verfahren miteinander verbunden werden, etwa durch eine Schweiß-, Gewinde-, Einrast-, Verriegelungs- oder Preßpaßverbindung.
Das Filterelement 4 weist ein offenes Ende auf, welches einen Flansch 12 umfaßt. Der hohle zylindrische Teil 37 kann darin eingepaßt werden und kann sich ein Stück weit in das offene En de des Filterelements 4 hinein erstrecken, wobei die Rohrplatte 3 dem Endbereich des Filterelements 4 zugewandt ist. Das kompressible Material 14 kann an jeder Stelle zwischen der Rohrplatte 3 und dem Filterelement 4 angeordnet sein, zum Beispiel zwischen der nach innen weisenden Oberfläche des Filterelements 4 und einer äußeren zylindrischen Wandoberfläche 38 des hohlen zylindrischen Abschnitts 37.
Bei dieser Ausführungsform können die Filterelemente 4 so angeordnet sein, daß das offene Ende jedes Filterelements 4 an die untere Oberfläche der Rohrplatte 3 stößt. Daher ist es nicht erforderlich, die Filterelemente 4 durch die Öffnungen 11 in der Rohrplatte 3 zu stecken; die Filterelemente können einfach mit den hohlen zylindrischen Teilen 37 von der Unterseite der Rohrplatte her zusammengepaßt werden. Um die Filterelemente an der Rohrplatte zu befestigen, kann eine Trägerplatte 26 mit der Rohrplatte 3 gekoppelt werden und/oder ein Traggitter 22 kann mit dem Drucktank 2 an den geschlossenen Enden 27 der Filterelemente 4 gekoppelt werden. Die Trägerplatte 26 und das Traggitter 22 können jeweils mit der Rohrplatte 3 bzw. der unteren Oberfläche des Drucktanks 2 durch verschiedene Verfahren verbunden werden, etwa durch eine Schweiß-, Gewinde-, Einrast-, Verriegelungs-, Preßpaß- oder Bolzen-Steckverbindung. Ein kompressibles Dichtungs- und/oder Dämpfungsmaterial 14 kann zwischen dem Flansch 12 des Filterelements 4 und der Trägerplatte 26 angeordnet sein, um die Belastung gleichmäßig zu verteilen und die auf den Flansch einwirkende Spannung zu verringern, und/oder zwischen dem geschlossenen Ende 27 des Filterelement- Traggitters 22, um das Gewicht des Filterelements 4 gleichmäßig zu verteilen. Die Trägerplatte 26 oder das Traggitter 22 können so gestaltet sein, daß dadurch eine Vorspannkraft auf das kompressible Material einwirkt, wie zuvor bezüglich der ersten Ausführungsform erläutert.
Im Betrieb funktioniert die dritte Ausführungsform ähnlich wie die erste und zweite Ausführungsform. Die Rohrplatte 3 ist aus einem Material hergestellt, z. B. einem Metall wie etwa Edel stahl, welches sich bei Temperatur schneller ausdehnt als das Material, z. B. Keramik, aus welchem das Filterelement 4 hergestellt ist. Wenn die Temperatur ansteigt, vergrößert sich der Umfang des hohlen zylindrischen Abschnitts 37 schneller als der Umfang der inneren Oberfläche des Filterelements 4. So bewirken bei hohen Temperaturen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Rohrplatte 3 und dem Filterelement 4 das Zusammendrücken des kompressiblen Materials 14 zwischen der äußeren zylindrischen Wandoberfläche 38 des hohlen zylindrischen Abschnitts 37 und der nach innen weisenden Oberfläche des Filterelements 4. Dadurch wird das Filterelement dicht mit der Rohrplatte verbunden und Spannung gleichmäßig entlang dem Filterelement verteilt. Diese dritte Ausführungsform weist darin einen weiteren Vorteil auf, daß der hohle zylindrische Abschnitt 37 durch Verwendung desselben Systems, welches die Rohrplatte 3 kühlt, leicht gekühlt werden kann.
Zwar sind mehrere beispielhafte Filteranordnungen, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, gezeigt worden, doch wird natürlich klar sein, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Fachleute können Modifizierungen vornehmen, insbesondere im Lichte der vorangegangenen Lehren. Beispielsweise kann die Dichtungsvorrichtung in spiegelbildlicher Form ausgebildet sein, in welcher ein hohler zylindrischer Abschnitt mit beiden ebenen Oberflächen des scheibenförmigen Abschnitts oder Rohrplatte verbunden sein kann. Auf diese Weise kann die Spiegelbildkonfiguration zum Verbinden von zwei Filterelementen hintereinander oder parallel zueinander verwendet werden. Ferner, obwohl eine zylindrische Gestalt bevorzugt wird, sind die in dieser Beschreibung dargestellten Filterelemente und Dichtungsvorrichtungen nicht auf eine zylindrische Gestalt beschränkt.

Claims

1. Filteranordnung mit einer Dichtungsvorrichtung (5, 37) mit ersten und zweiten Oberflächen, einem kompressiblen Material (14) und einem Filterelement (4), wobei das Filterelement einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Dichtungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Oberfläche des Filterelements (4), welches den niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die erste Oberfläche der Dichtungsvorrichtung (5, 37) mit dem kompressiblen Material (14) dazwischen angeordnet umgibt, und daß eine zweite Oberfläche des Filterelements (4) der zweiten Oberfläche der Dichtungsvorrichtung (5, 37) mit dem kompressiblen Material (14) dazwischen angeordnet zugewandt ist, wobei das kompressible Material zwischen den zweiten Oberflächen bei einer ersten vorgegebenen Temperatur zusammengepreßt wird und wobei die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit dem Ansteigen der Temperatur der Filteranordnung auf eine zweite vorgegebene Temperatur, welche höher ist als die erste vorgegebene Temperatur, zusammenwirkend das Zusammenpressen des kompressiblen Materials zwischen den ersten Oberflächen bewirken, um eine Abdichtung sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten vorgegebenen Temperatur zu bilden.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, welche einen Tank (2), ein in dem Tank (2) angeordnetes Element (3) umfaßt, um den Tank (2) zwischen einem Einlaßteil (6) und einem Auslaßteil (7) zu teilen, wobei die Dichtungsvorrichtung (5) mit dem Element (3) gekoppelt ist.

3. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die Dichtungsvorrichtung (5) einen ersten Abschnitt (16) mit einer zylinderförmigen Konfiguration aufweist und worin ein zweiter Abschnitt (15) eine scheibenförmige Konfiguration aufweist, welche an dem ersten Abschnitt montiert ist, wobei ein äußerer Durchmesser des ersten Abschnitts (16) geringer ist als der äußere Durchmesser des zweiten Abschnitts (15).

4. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die Dichtungsvorrichtung (5) einen inneren Durchlaß (19) aufweist, der einen Fluidfließweg definiert.

5. Filteranordnung nach Anspruch 4, worin der innere Durchlaß (19) Mittel (17) umfaßt, um eine Venturi-Düse, eine Düse oder ein Strahlrohr zu bilden.

6. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die Dichtungsvorrichtung (5, 37) innerhalb eines inneren Hohlraumes in dem Filterelement (4) angeordnet ist.

7. Filteranordnung nach Anspruch 1, worin die Dichtungsvorrichtung eine Rohrplatte (3) umfaßt, wobei das Filterelement (4) in einer Öffnung der Rohrplatte (3) angeordnet ist.

8. Filteranordnung nach Anspruch 1, worin die Dichtungsvorrichtung (37) innerhalb einer ringförmigen Nut (23) in dem Filterelement (4) angeordnet ist.

9. Filteranordnung nach Anspruch 8, worin das Filterelement (4) eine poröse keramische Röhre mit einem offenen Ende und einem Flansch umfaßt, welcher die ringförmige Nut (23) enthält, wobei die Dichtungsvorrichtung einen ringförmigen metallischen Teil (37) innerhalb der ringförmigen Nut (23) angeordnet enthält.

10. Filteranordnung nach Anspruch 9, worin das kompressible Material (14) zwischen der ringförmigen Dichtungsvorrichtung (37) und dem Flansch (23) innerhalb der Ringnut zum Dichten des Flansches gegenüber der ringförmigen metallischen Dichtungsvorrichtung angeordnet ist.

11. Filteranordnung nach Anspruch 9 oder 10, worin das kompressible Material (14) zwischen einer äußeren Umfangsseitenwandung der ringförmigen Dichtungsvorrichtung (37) und einer inneren Umfangsseitenwandung der Ringnut (23) angeordnet ist, um das kompressible Material bei erhöhten Temperaturen zusammenzupressen.

12. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die Dichtungsvorrichtung (5, 37) ein Metall umfaßt und das Filterelement (4) ein Keramikmaterial umfaßt.

13. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die ersten und zweiten Oberflächen im wesentlichen orthogonal sind.

14. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin das kompressible Material Keramikfasern umfaßt.

15. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin das kompressible Material (14), welches zwischen den zweiten Oberflächen zusammengepreßt wird, eine erste Kompressionskraft bei einer ersten vorgegebenen Temperatur aufweist und eine zweite Kompressionskraft, die geringer ist als die erste Kompressionskraft, bei einer zweiten vorgegebenen Temperatur aufweist.

16. Filteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin das Filterelement (4) ein geschlossenes Ende, ein offenes Ende aufweist und dazwischen einen inneren Hohlraum bildet.