DE69609737T2

DE69609737T2 - Kerzen filter

Info

Publication number: DE69609737T2
Application number: DE69609737T
Authority: DE
Inventors: H. Eaton; M. Fischer; M. Grobelny; D. Mcvicker; G. Smith; R. Visser
Original assignee: Hexcel Corp; Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: Hexcel Corp; 3M Co
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: EP0912226A1; DE69609737D1; EP0912226B1; US5849375A; WO1998002230A1; JP2000514354A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Oxid-Ogid-Kerzenfilter und -filtersysteme.

Beschreibung der verwandten Technik

Zahlreiche Patente und Veröffentlichungen beschreiben den Einsatz von Keramikmaterialien beim Ausfiltern von Teilchen aus Fluiden, z. B. den als Ergebnis von Verbrennungsverfahren erzeugten erwärmten Gasen. Im Sinne der Erfindung gehören zu "Fluid" eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein fließfähiges Material wie geschmolzenes Metall. Nötig sind solche Filter z. B. zur Unterstützung beim Beseitigen von Luftverschmutzung, Rückgewinnen erwünschter Teilchen, die in Hochtemperaturverfahren erzeugt werden, z. B. Edelmetalle, und Ermöglichen von Energiesparmaßnahmen durch Recyceln und Wiederverwenden von heißem gereinigtem Gas in der gewerblichen Verarbeitung. Zum Beispiel ist ein solches verunreinigte erwärmte Gase erzeugendes Verfahren die Verbrennung vergaster Kohle. Die Abgase aus dieser Verbrennung können Temperaturen von mehr als 800ºC bis 1000ºC erreichen und unerwünschte Anteile von kohlenstoffhaltigen Teilchen enthalten, die vor Weiterverarbeitung und Freisetzung in die Atmosphäre aus den Gasen ausgefiltert werden sollten.
Solche Filter können die Form von Kerzenfiltern annehmen. Kerzenfilter sind selbsttragend und allgemein wie lange Rohre mit einem offenen Ende geformt. Normalerweise sind Kerzenfilter in einer Einhausung befestigt, die in eine "reine" und "unreine" Seite so unterteilt ist, daß das zu filternde Fluid von der unreinen zur reinen Einhausungsseite durchfließt, indem es das Kerzenfilter durchläuft. Normalerweise fließt das Fluid von außen in das Innere des Kerzenfilters, was zu einem sein offenes Ende verlassenden Fluid mit akzeptablem Teilchengehalt führt.
Häufig sind mehrere Kerzenfilter von einer gemeinsamen Stützstruktur in einer solchen Einhausung abgehängt. Normalerweise wird das teilchenhaltige Fluid unterhalb der gemeinsamen Stützstruktur in die Einhausung eingeleitet und veranlaßt, durch die Kerzenfilterwände und nach oben zum reinen Einhausungsabschnitt sowie nach außen durch einen Auslaßanschluß zu fließen. Periodisch sammeln sich die ausgefilterten Teilchen außen an den Kerzenfiltern in einem Grad an, der den wirksamen Gasdurchfluß durch die Filter und das Ausfiltern weiterer Teilchen behindert. Ein zweites Druckfluid, normalerweise Luft, wird zwangsweise in den reinen Abschnitt der Einhausung eingepreßt, um in Gegenrichtung durch die Kerzenfilter zu fließen und die Teilchenansammlungen außen an den Kerzenfiltern zu lösen. Die gelösten Teilchen fallen zum Boden der Einhausung und können entfernt werden, wodurch der Normalbetrieb der Filter wieder aufgenommen werden kann.
Bei der Gasfiltration galten große Bemühungen der Herstellung von Kerzenfiltern, die hohen Temperaturen und chemisch korrodierenden Umgebungen widerstehen können, die man z. B. bei der erwähnten Verbrennung von Gasen aus Kohlevergasungsanlagen antrifft. Festgestellt wurde, daß Keramikmaterialien unter solchen Bedingungen gute Kandidaten für Kerzenfilter sind. Allerdings ist das Hauptproblem mit Keramikwerkstoffen ihre Brüchigkeit bzw. Sprödigkeit.
Monolithische Filter erleiden Wärmeschocks, insbesondere wenn sie Druckfluid ausgesetzt sind. Herkömmliche monolithische Filter sind aus SiC-Teilchen (wobei in der Technik allgemein anerkannt ist, daß SiC eine dünne Außenschicht aus Siliziumoxid aufweist) mit einem glasartigen Bindemittel hergestellt. Oft enthält das Bindemittel Zusatzstoffe, die beim Ausbilden der Filter helfen. Daraus resultiert ein potentielles Problem chemischer Reaktionen mit Bestandteilen einiger telichenführender Gase, z. B. Natrium. Bekanntlich bildet z. B. Natrium ein relativ niedrigschmelzendes Eutektikum mit Siliziumoxiden bei Temperaturen im potentiellen Betriebsbereich monolithischer Filter.
Folglich zielen viele herkömmliche Filterkonstruktionen auf die Herstellung von keramischen Verbundmaterialien ab, die wegen Rißverhinderung und erhöhter relativer Flexibilität einige der traditionellen Sprödigkeitsprobleme mildern oder beseitigen können.
Zum Beispiel ist ein Verbundfilter aus einer Siliziumcarbidmatrix und Keramikfasern im Handel von 3M Company, St. Paul, MN unter dem Handelsnamen "3M Brand Ceramic Composite Filter" erhältlich. Allerdings ist Siliziumcarbid z. B. gegen Angriffe alkalischer Dämpfe anfällig, die in oxidierenden heißen Gasen der Kohleverbrennung vorhanden sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Kerzenfilter bereit, das aufweist:
(a) ein selbsttragendes Rohr mit einer fluiddurchlässigen Wand (d. h., ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein fließfähiges Material kann die Wand durchfließen), die erste gewebte, geflochtene, gewirkte oder filamentgewickelte keramische (d. h. kristalline Keramik oder aus Glas und kristalliner Keramik hergestellte Keramik) Oxidfasern und eine erste Silikatkeramikoxid-Bindephase aufweist, wobei das Rohr ein geschlossenes Ende, ein entgegengesetztes offenes Ende und einen mit dem offenen Ende kommunizierenden Innenhohlraum hat; und
(b) eine fluiddurchlässige Filterschicht auf der Wand des Rohrs, wobei die Filterschicht weniger durchlässig als die Wand ist, zweite Vlieskeramikoxidfasern und eine zweite Silikatkeramikogid-Bindephase aufweist, die mit den zweiten Keramikoxidfasern verbunden ist, und so angeordnet ist, daß das Kerzenfilter fluiddurchlässig ist.
Vorzugsweise weist das selbsttragende Rohr Keramikoxidteilchen auf, wobei die Keramikoxidteilchen um die Keramikoxidfasern eingestreut sind und wobei die Keramkoxid-Bindephase die Keramikoxidteilchen und die ersten Fasern miteinander verbindet. Vorzugsweise ist die Filterschicht frei von Keramikoxidteilchen, die mit den Keramikoxidfasern durch die Keramikoxid-Bindephase verbunden sind.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 festgelegt.
Ein erfindungsgemäßes Kerzenfilter kann durch ein Verfahren nach Anspruch 10 hergestellt werden.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Kerzenfilteranordnung zum Ausfiltern von Teilchen aus einem Fluid nach Anspruch 9 bereit.
Zu Vorteilen erfindungsgemäßer Kerzenfilter zählen ihr leichtes Gewicht (verglichen mit herkömmlichen monolithischen Kerzenfiltern), der dünnwandige Aufbau, der zu einem geringerem Anfangsdifferenzdruck führt, und die rationellere Nutzung von Impulsgasenergie, wobei sie nicht oxidationsanfällig sind (verglichen z. B. mit SiC-haltigen Filtern). Ferner sind die Filter mechanisch fest, bruchsicher und gegen Wärmestöße beständig.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kerzenfilters;
Fig. 1a ist ein vergrößerter Abschnitt des Kerzenfilters von Fig. 1;
Fig. 2 ist eine Querschnittansicht eines Kerzenfiltersystems unter Nutzung des Kerzenfilters von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Einsatzes aus der Kerzenfilteranordnung von Fig. 2; und
Fig. 4 ist eine teilweise im Querschnitt gezeigte Seitenansicht einer Vorrichtung zum Filtern teilchenhaltiger Fluide unter Nutzung der Kerzenfilteranordnung von Fig. 2.

Nähere Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Gemäß Fig. 1 und 1A verfügt ein erfindungsgemäßes Kerzenfilter 14 über ein selbsttragendes Rohr 210 mit einer fluiddurchlässigen Wand 211, einer fluiddurchlässigen Filterschicht 220, einer optionalen fluiddurchlässigen Überzugschicht 230 sowie optionalen Keramikoxidfäden 250 und 260. Das Rohr 210, das ein geschlossenes Ende 202 (das fluiddurchlässig oder -undurchlässig sein kann), ein entgegengesetztes offenes Ende 204, einen mit dem offenen Ende 204 kommunizierenden Innenhohlraum 206, die fluiddurchlässige Wand 211 und eine optionale Anordnungsverstärkung 240 hat, weist ein Geflecht aus Keramikoxidfasern 212, eine Keramikoxid-Bindephase 214 und optionale Keramikoxidteilchen 216 auf. Die Filterschicht 220 weist eine Vliesmatte aus Keramikoxidfasern 222, eine Keramikoxid-Bindephase 224 und optionale Keramikoxidteilchen 226 auf. Die optionale fluiddurchlässige Überzugschicht 230 weist Keramikoxidfasern 232, eine optionale Keramikoxid-Bindephase 234 und optionale Keramikoxidteilchen 236 auf. Die optionale Verstärkung 240 weist Keramikoxidfasern 242, eine optionale Keramikoxid-Bindephase 244 und optionale Keraumikoxidteilchen 246 auf.
Normalerweise sind die Keramikoxidfasern, die Keramikoxid-Bindephase und die Keramikoxidteilchen unter Berücksichtigung z. B. unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Komponenten ausgewählt. Ferner sollten die Keramikoxidfasern mit der Keramikoxid-Bindephase verträglich sein. Die Bindephase sollte also die Faserfestigkeit bei Verarbeitung und/oder Wärmebehandlung nicht wesentlich beeinträchtigen. Erwartungsgemäß können sich bei Vorhandensein niedrigschmelzender Gläser (d. h. mit Schmelztemperaturen im Bereich von 500ºC bis etwa 700ºC) Eutektika mit den Keramikoxidphasen in den Fasern bilden, wodurch ihre Zugfestigkeit sinkt. Ferner können vorhandene Alkaliverbindungen (z. B. Na&sub2;O oder K&sub2;O) die Faserzugfestigkeit beeinträchtigen. Vorzugsweise ist die Bindephase im wesentlichen frei von Komponenten, die eine Faserbeeinträchtigung fördern würden.
In einem weiteren Aspekt sind die gewebten, geflochtenen, gewirkten oder filamentgewickelten Fasern kontinuierliche Fasern (d. h., sie haben eine Länge (mindestens mehrere Zentimeter), die verglichen mit ihrem Durchmesser im wesentlichen endlos ist). Solche Fasern sind in Längen ab mindestens mehrere Zentimeter und für einige Fasern mindestens 10 oder mehr Meter erhältlich.
Zu geeigneten Keramikoxidfasern gehören Aluminiumoxidfasern, Aluminiumsilikatfasern, Aluminiumborsilikatfasern, Zirkonoxidfasern, Yttriunoxid-Aluminiumoxidfasern oder deren Kombinationen. Bevorzugte Fasern sind Aluminiumsilikat- und Aluminiumoxidfasern. Normalerweise und vorzugsweise handelt es sich bei den Keramikoxidfasern im Kerzenfilter um kristalline Keramiken und/oder eine Mischung aus kristalliner Keramik und Glas (d. h. um Fasern, die sowohl kristalline Keramik- als auch Glasphasen enthalten).
Vorzugsweise haben die Keramikoxidfasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 3 bis etwa 100 Mikrometern. Fasern mit Durchmessern, die wesentlich größer als etwa 100 Mikrometer sind, sind normalerweise nicht so fest wie Fasern im bevorzugten Bereich und in der Tendenz schwer zu verweben, zu verflechten oder anderweitig in eine gewünschte Form zu bringen. Stärker bevorzugt haben die Fasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 3 bis etwa 50 Mikrometern. Am stärksten bevorzugt haben die Fasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 3 bis etwa 15 Mikrometern.
Vorzugsweise haben die Fasern eine mittlere Zugfestigkeit über etwa 700 MPa. Stärker bevorzugt liegt die mittlere Zugfestigkeit der Fasern über etwa 1200 MPa, noch stärker bevorzugt über etwa 1800 MPa und am stärksten bevorzugt über etwa 2100 MPa.
Verfahren zur Herstellung geeigneter Aluminiumoxidfasern sind technisch bekannt, wozu das in der US-A-4954462 (Wood et al.) offenbarte Verfahren gehört. Vorzugsweise weisen die Aluminiumoxidfasern auf theoretischer Oxidbasis über etwa 99 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und etwa 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent SiO&sub2; bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumoxidfasern auf. Im Handel sind bevorzugte Aluminiumoxidfasern unter dem Handelsnamen "NEXTEL 610" von 3M Company, St. Paul, MN zu beziehen.
Verfahren zur Herstellung geeigneter Zirkonoxidfasern sind in der Technik bekannt, wozu das in der US-RE-35143 (Funkenbusch et al.) offenbarte Verfahren gehört.
Geeignete Aluminiumsilikatfasern sind in der US-A- 4047965 (Karst et al.) beschrieben. Vorzugsweise weisen die Aluminiumsilikatfasern auf theoretischer Oxidbasis im Bereich von etwa 67 bis etwa 85 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und im Bereich von etwa 33 bis etwa 15 Gewichtsprozent SiO&sub2; bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumsilikatfasern auf. Eine bevorzugte Aluminiumsilikatfasern weisen auf theoretischer Oxidbasis im Bereich von etwa 67 bis etwa 77 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und im Bereich von etwa 33 bis etwa 23 Gewichtsprozent SiO&sub2; bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumsilikatfasern auf. Auf theoretischer Oxidbasis weist eine bevorzugte Aluminiumsilikatfaser etwa 85 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und etwa 15 Gewichtsprozent SiO&sub2; bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumsilikatfasern auf. Eine weitere bevorzugte Aluminiumsilikatfaser weist auf theoretischer Oxidbasis etwa 73 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und etwa 27 Gewichtsprozent SiO&sub2; bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumsilikatfasern auf. Im Handel sind bevorzugte Aluminiumsilikatfasern unter den Handelsnamen "NEXTEL 550" und "NEXTEL 720" VOn 3M COmpany, St. Paul, MN erhältlich.
Geeignete Aluminiumborsilikatfasern sind in der US-A- 3795524 (Sowman) beschrieben. Vorzugsweise weisen die Aluminiumborsilikatfasern auf theoretischer Basis im Bereich von etwa 55 bis etwa 75 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3;, unter 45 Gewichtsprozent (vorzugsweise unter 44 Gewichtsprozent) SiO&sub2; bzw. unter 25 Gewichtsprozent (vorzugsweise etwa 1 bis etwa 5 Gewichtsprozent) B&sub2;O&sub3; bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumborsilikatfasern auf. Im Handel sind bevorzugte Aluminiumborsilikatfasern unter den Handelsnamen "NEXTEL 312" und "NEXTEL 440" von 3M Company zu beziehen.
Yttriumoxid-Aluminiumoxidfasern können z. B. gemäß der Offenbarung in der US-A-5348918 (Budd et al.) hergestellt werden.
Normalerweise sind Keramikoxidfasern in Garnform gruppiert bzw. zusammengefaßt erhältlich. Solche Keramikoxidgarne verfügen normalerweise über etwa 400 bis etwa 7800 einzelne Keramikoxidfasern und haben allgemein einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 1,5 mm. Normalerweise haben Garndurchmesser in diesen Bereichen überlegene Textilqualitäten gegenüber Garnen mit Durchmessern außerhalb dieser Bereiche. Keramikoxidgarn kann kabliert sein, was bedeutet, daß zwei oder mehr Garne miteinander verzwirnt sind. Normalerweise erfolgt dies, um die Garnfestigkeit zu erhöhen.
Vorzugsweise haben die Keramikoxidfasern, die das Stützrohr und die Überzugschicht aufweisen, die Form von Geweben, Geflechten oder Gewirken. Die Keramikoxidfasern können in Gewebe- und filamentgewickelter Form durch technisch bekannte Verfahren hergestellt werden (siehe z. B. die US-A-5180409 (Fischer et al.) und 5453116 (Fischer et al.)). Gewebe sind auch im Handel erhältlich, z. B. unter dem Handelsnamen "NEX- TEL WOVEN FABRICS" von 3M Company. Zu Bindungsarten für die Gewebe gehören einfache glatte Bindungsarten und Multiaxialbindungsarten. Zu Geflechtarten für das Geflecht zählen einfache, offene und triaxiale Geflechtarten.
Normalerweise verfügen die Fasern und die Fasern aufweisenden Gewebe im Anlieferungszustand über ein organisches Schlichtematerial, das den Fasern bei ihrer Herstellung zugegeben wird, damit sie schmierfähig und die Faserstränge bei der Handhabung geschützt sind. Angenommen wird, daß durch die Schlichte in der Tendenz Faserbruch verringert, statische Elektrizität gesenkt und die Staubmenge, z. B. bei Umwandlung in ein Gewebe, reduziert wird. Die Schlichte kann z. B. durch Lösen oder Abbrennen entfernt werden. Vorzugsweise wird die Schlichte entfernt, bevor das siliziumhaltige Polymer auf die Keramikoxidfasern aufgebracht wird.
Zu herkömmlichen Schlichtematerialien zählen Dextrinstärkegummi, Gelatine, Polyvinylalkohol, hydrierte Pflanzenöle und nichtionische Detergenzien. Ein Beispiel für eine Schlichtezusammensetzung, die auf die Keramikoxidfasern aufgetragen sein kann, enthält etwa 90 Gewichtsprozent Deionat, 8 Gewichtsprozent Polyethylenimin (im Handel z. B. unter dem Handelsnamen "SC-62J" von Morton International, Chicago, IL erhäiltlich), etwa 1 bis 2 Gewichtsprozent Polyethylenglycol (im Handel z. B. unter dem Handelsnamen "CARBOWAX 60" von Union Carbide, Danbury, CT erhältlich) und optional einen Farbstoff (z. B. etwa 0,1 Gewichtsprozent roter Farbstoff (im Handel z. B. unter dem Handelsnamen "PONTAMINE FAST SCARLET 4B" von Mobay Chemical Co., Union, NJ erhältlich)).
Die Vlieskeramikoxidfasern aufweisende Filtrierschicht kann z. B. eine Vliesmatte (u. a. ein Keramikpapier) sein. Vliesmatten für die Filterschicht lassen sich durch in der Technik bekannte Verfahren herstellen (siehe z. B. die US-A- 5380580 (Rogers et al.)). Die Vliesmatten weisen wirr bzw. zufällig orientierte Keramikoxidfasern auf. Vorzugsweise haben diese Keramikoxidfasern Durchmesser im Bereich von etwa 3 Mikrometern bis etwa 10 Mikrometern. Vorzugsweise sind die Vliesmatten im wesentlichen frei von Granulat (d. h. Keramikteilchen aus dem Faserherstellungsverfahren) und haben eine gleichmäßige Faserverteilung, was beides in der Tendenz zu einer gleichmäßigeren Durchlässigkeit führt. Normalerweise haben die Vliesmatten ein Flächengewicht im Bereich von etwa 50 g/m² bis etwa 300 g/m². Im Handel sind Vliesmatten für die Filterschicht z. B. ·von Unifax, Niagara Falls, NY und Lydall Corp., Rochester, NH beziehbar. Ein bevorzugtes Aluminiumoxidkeramikpapier ist von Cotronics, Brooklyn, NY erhältlich.
Im Schutzumfang der Erfindung liegt, daß die Vliesfasern der Filtrierschicht bei der Herstellung des Kerzenfilters in situ bereitgestellt werden.
Normalerweise wird die Silikatkeramikoxid-Bindephase aus siliziumhaltigem Polymer abgeleitet, wobei das Polymer auf eine ausreichende Temperatur (normalerweise mindestens 500ºC) in einer oxidierenden Atmosphäre so erwärmt wird, daß das siliziumhaltige Polymer überführt wird und eine Keramikoxid-Bindephase ergibt. Zu siliziumhaltigen Polymeren gehören Silanpolymere (zu beziehen z. B. unter den Handelsnamen "A1170" von Union Carbide, New York, NY; "DYNASYLAN" von Huls America, Inc., Piscataway, NJ; oder "BLACKGLAS" (z. B. "489A Monomer") von Allied Signal, Torrance, CA), Polycarbosilanpolymere (erhältlich z. B. von Dow Corning, Midland, MI), Dimethylsiloxanpolymere (beziehbar z. B. von Dow Corning), Silikonharze und deren Mischungen. Normalerweise liegen geeignete Polymer-Siliziumoxid-Umwandlungsprozentsätze im Bereich von etwa 50 bis etwa 81 Prozent. Ein bevorzugter Polymer-Siliziumoxid-Umwandlungsprozentsatz beträgt 81%. Vorzugsweise hat die Silikatkeramikoxid-Bindephase 99 bis 100 Gew.-% (stärker bevorzugt mindestens 99,8 Gew.-%).
Normalerweise sind die Keramikoxidteilchen (und Keramikfasern) mit der Keramikoxid-Bindephase verträglich. Durch die Bindephase kommt es vorzugsweise also zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung oder Reaktion mit den Keramikoxidteilchen (oder Keramikfasern) bei Verarbeitung und/oder Wärmebehand lung. Erwartungsgemäß können sich bei vorhandenen niedrigschmelzenden Gläsern (d. h. mit Schmelztemperaturen im Bereich von 500ºC bis etwa 700ºC) Eutektika mit den Keramikoxidphasen in den Teilchen (oder Fasern) bilden. Ferner können vorhandene Alkaliverbindungen (z. B. Na&sub2;O oder K&sub2;O) die Bindephase beeinträchtigen. Vorzugsweise ist die Bindephase im wesentlichen frei von Komponenten, die einen Zerfall der Keramikoxidteilchen (oder Keramikoxidfasern) begünstigen würden. Am stärksten bevorzugt besteht die Keramikoxid-Bindephase im wesentlichen aus Siliziumoxid.
Vorzugsweise sind die Keramikoxidteilchen unabhängig aus der Gruppe ausgewählt, die aus Aluminiumoxidteilchen, Zirkonoxidteilchen, Yttriumoxidteilchen, Mullitteilchen, Hafniumoxidteilchen und deren Kombinationen besteht. Nützlich können auch Siliziumoxidteilchen sein, wobei diese aber zu unerwünschter Reaktion mit der Silikatkeramikoxid-Bindephase bei Bildung des Filtermaterials neigen. Normalerweise haben die Keramikoxidteilchen Teilchengrößen (gemessen am größten Teilchenmaß) im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 20 Mikrometern (vorzugsweise etwa 0,1 bis etwa 10 Mikrometer; stärker bevorzugt etwa 0,2 bis etwa 1 Mikrometer). In der Tendenz erlaubt der Einsatz von Teilchen in den festgelegten Bereichen einen besseren Einbau der Keramikoxidteilchen in die Keramikoxidfaserform.
Geeignete Keramikoxidteilchen lassen sich z. B. durch technisch bekannte Sol-Gel-Verfahren herstellen. Zudem können Teilchen durch Zerkleinern oder anderweitiges Brechen von Keramikoxidkörpern in den gewünschten Teilchengrößen produziert werden. Geeignete Keramikoxidteilchen oder -körper können durch technisch bekannte Verfahren hergestellt werden (siehe z. B. die US-A-3795524 (Sowman), 4047965 (Karst et al.), 4314827 (Leitheiser et al.), 4770671 (Monroe et al.), 4744802 (Schwabel), 4881951 (Wood et al.), 4954462 (Wood), 4964883 (Morris et al.), 5164348 (Wood), 5348918 (Budd et al.), (Larmie), 5139978 (Wood), 5219806 (Wood), 5429647 (Larmie), 5489204 (Conwell et al.), 5489318 (Erickson et al.), 5498269 (Larmie) und 5516348 (Conwell et al.), die US-RE 35143 (Funkenbusch et al.) sowie die PCT-Anmeldung PCT/ US93/12441 mit der Internationalen Veröffentlichungsnummer WO 94/14722, veröffentlicht am 7. Juli 1994). Aluminiumoxidteilchen sind z. B. unter dem Handelsnamen "HPA 0.05" von Ceralox, Tuscon, AZ beziehbar. Zirkonoxidteilchen sind z. B. unter dem Handelsnamen "ATZ80" von Zirconia Sales Inc., Marietta, GA erhältlich. Yttriumoxidteilchen sind z. B. von Ceralox erhältlich. Mullitteilchen sind z. B. unter den Handelsnamen "MULCR·· von Baikowski, Charlotte, NC zu beziehen. Hafniumoxidteilchen sind z. B. von Johnson-Mathey, Ward Hill, MA beziehbar. Siliziumoxidteilchen sind z. B. unter dem Handelsnamen "IMSIL A-8" von Unimin Corp., Elco, IL erhältlich.
Die Beschichtungszusammensetzungen lassen sich z. B. durch Herstellen einer Mischung aus Keramikoxidteilchen (wenn sie in die Zusammensetzung aufzunehmen sind), siliziumhaltigem Polymer und organischem Lösungsmittel produzieren. Zu organischen Lösungsmitteln, die von Nutzen sein können, gehören Alkohole (z. B. Ethanol und Isopropanol), Ketone (z. B. Aceton und Methylethylketon) und deren Mischungen. Die Viskosität der Beschichtungszusammensetzung kann z. B. durch die verwendete organische Lösungsmittelmenge oder andere Techniken eingestellt werden, die dem Fachmann deutlich sein sollten, u. a. die Zugabe von Verdickungsmitteln oder Verdünnern. Bevorzugte Beschichtungszusammensetzungen verfügen über etwa 10 bis etwa 25 Gewichtsprozent siliziumhaltiges Polymer, etwa 50 bis etwa 65 Gewichtsprozent Keramikoxidteilchen (vorzugsweise Aluminiumoxidteilchen) und etwa 10 bis etwa 40 Gewichtsprozent organisches Lösungsmittel (vorzugsweise 1,25 Gewichtsteile Keton (vorzugsweise Aceton) zu 1 Teil Alkohol (vorzugsweise Isopropanol)).
Andere bevorzugte Beschichtungszusammensetzungen verfügen über etwa 10 bis etwa 50 Gewichtsprozent siliziumhaltiges Polymer und etwa 10 bis etwa 50 Gewichtsprozent organisches Lösungsmittel (vorzugsweise 1,25 Gewichtsteile Keton (bevorzugt Aceton) zu 1 Teil Alkohol (vorzugsweise Isopropanol)). Ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Kerzenfiltern weist folgende Schritte auf: Tränken (z. B. mit Bürstenbeschichten, Gießbeschichten, Tauchbeschichten, Walzenbeschichten oder Spritzbeschichten) des Keramikoxidfaser gewebes mit einer Beschichtungszusammensetzung und anschließendes bedarfsweises Formen des Gewebes. Beispielsweise kann das Gewebe über einen Dorn aufgepaßt werden, der die gewünschte Form hat. Eine Alternative ist Filamentwickeln (z. B. Spiralwickeln oder Kreuzwickeln) von Keramikoxidfasern, z. B. über einem Dorn, und anschließendes Tränken der gewickelten Fasern mit einer Beschichtungszusammensetzung. Normalerweise läßt man die Beschichtungszusammensetzung trocknen, bevor die Filtrierschicht aufgebracht wird.
Die Filtrierschicht kann z. B. durch Tränken einer Keramikoxid-Vliesmatte mit einer Beschichtungszusammensetzung gebildet werden. Optional weist die Beschichtungszusammensetzung zum Bilden der Filtrierschicht ferner Keramikoxidteilchen auf. Vorzugsweise wird die getränkte Matte solange getrocknet, bis sie etwas klebrig ist, bevor sie auf den Vorformling für das Stützrohr aufgebracht wird. Zum Abdecken des geschlossenen Endes des Stützrohrvorformlings mit einer Vliesmatte kann es erwünscht sein, ein oder mehrere Mattenstücke in eine (mehrere) geeignete Form(en) zu schneiden, um sie über das Ende aufzupassen.
Die Filtrierschicht kann z. B. auch durch Aufbringen von Faserschnitzeln bzw. gehackten bzw. geschnittenen oder diskontinuierlichen Fasern auf den Stützrohrvorformling gebildet werden. Zum Beispiel lassen sich mit einer BeschichtungszusallurLensetzung beschichtete Faserschnitzel auf den Stützrohrvorformling aufbringen. Faserschnitzel können z. B. durch Zerschneiden von Keramikfasern oder -garn hergestellt werden, wobei das Schneiden mit einer herkömmlichen Glasroving- Schneidmaschine (im Handel z. B. als "MODEL 90 GLASS ROVING CUTTER" von Finn & Fram, Inc., Pacoima, CA zu beziehen) oder mit einer Schere erfolgt. Vorzugsweise haben die Faserschnitzel eine Länge im Bereich von etwa 1 bis etwa 5 mm und sind am stärksten bevorzugt etwa 3 mm lang.
Eine Außenschicht läßt sich vorsehen, indem z. B. ein Keramikoxidgewebe mit einer Beschichtungszusammensetzung getränkt wird, die optional Keramikoxidteilchen aufweist, und dann das gesättigte Gewebe über der Filtriervorformlingsschicht aufgebracht wird.
Normalerweise werden die Beschichtungszusammensetzungen des resultierenden Kerzenfiltervorformlings vor dem Brennen getrocknet und herkömmlich gehärtet. Beim Brennen wird das siliziumhaltige Polymer in Silikatmaterial umgewandelt, was ein Oxid-Oxid-Verbundkerzenfilter bildet. Die Brennzeiten und -temperaturen sind z. B. von dem (den) speziellen verwendeten Polymer(en) abhängig. Typische Brenntemperaturen liegen im Bereich von etwa 700ºC bis etwa 1050ºC.
Zu weiteren Einzelheiten zur Bildung einer Silikatbindephase siehe z. B. die US-A-5488017 (Szweda et al.).
Normalerweise zeigen erfindungsgemäße Kerzenfilter "verbundstoffartige" Brucheigenschaften statt "monolithischer" Brucheigenschaften, z. B. gemäß der Beschreibung in der US-A- 5476684 (Smith). Allgemein haben Fasern aufweisende Keramikverbundstoffe aus der Bruchfläche vorstehende Fasern (d. h., sie zeigen sogenannten "Faserausriß"). Die Bruchfläche von Kerzenfiltern mit solchem Faserausriß wird als "bürstenartig" beschrieben. Eine bürstenartige Bruchfläche ist kennzeichnend für einen Verbundartikel, z. B. ein Kerzenfilter mit Keramikoxidfasern, die nicht miteinander verschmolzen oder mit dem Matrixmaterial verschmolzen sind. Dagegen haben Kerzenfilter, die z. B. in der US-A-4885014 (Reinhardt et al.) beschrieben und im folgenden als "Schumacher-Filter" bezeichnet sind, Fasern, die miteinander oder mit der Matrix verschmelzen, was für einen Monolith kennzeichnend ist. Brucheigenschaften von Kerzenfiltern mit Verbundstoffeigenschaften, z. B. den erfindungsgemäßen, sind dadurch gekennzeichnet, daß beim Brechen eine Bruchfläche erzeugt wird, die mit den Bruchenden zahlreicher Keramikfasern in einer bürstenartigen Anordnung besetzt ist. Dagegen bricht ein Monolith, z. B. ein Schumacher- Filter, katastrophal wie eine Glasplatte.
Die Dicke der fluiddurchlässigen Wand, der Filterschicht und der optionalen Überzugschicht ist z. B. von den speziellen Rohmaterialien und der verwendeten Verarbeitung abhängig, die z. B. von der gewünschten Durchlässigkeit des Filtermaterials abhängen. Normalerweise hat die fluiddurchlässige Wand eine Dicke von etwa 0,5 bis etwa 2 mm (vorzugsweise etwa 0,75 bis etwa 1,3 mm). Wanddicken von etwa 0,5 mm oder darüber ha ben in der Tendenz eine bessere strukturelle Unversehrtheit als Wanddicken unter etwa 0,5 mm. Wenngleich Wanddicken über etwa 2 mm nützlich sind, tendieren sie dazu, wirtschaftlich unvorteilhaft zu sein. Normalerweise hat die Filterschicht eine Dicke von etwa 0,5 bis etwa 2,5 mm (vorzugsweise etwa 0,7 bis etwa 1,7 mm). Filterschichtdicken von etwa 0,5 mm oder darüber liefern in der Tendenz eine bessere Filtration als Filterschichten unter etwa 0,5 mm. Obgleich sie nützlich sind, führen Filterschichtdicken über etwa 2,5 mm in der Tendenz zu unerwünschten Gegendruckwerten. Normalerweise hat die Überzugschicht eine Dicke von etwa 0,4 bis etwa 3 mm (vorzugsweise etwa 0,6 bis etwa 1,7 mm). Dicken der Überzugschicht in den festgelegten Bereichen bilden in der Tendenz ein Filter, das im Vergleich zu Filtern mit Überzugschichten außerhalb dieser Bereiche einfacher zu reinigen ist.
Erfindungsgemäße Kerzenfilter lassen sich in der für die gewünschte Anwendung notwendigen Größe herstellen. Normalerweise sind Kerzenfilter etwa 30,5 cm (1 Fuß) bis etwa 3 Meter (10 Fuß) lang und haben einen Durchmesser von etwa 2,5 cm bis etwa 20 cm.
Vorzugsweise liegt die Durchlässigkeit erfindungsgemäßer Kerzenfilter im Bereich von etwa 50 bis etwa 250 cm/min/cm H&sub2;O. In einem weiteren Aspekt liegt die Porengröße des Kerzenfilters vorzugsweise im Bereich von über null bis etwa 250 Mikrometern. Die Filtrierleistung von Kerzenfiltern mit Porengrößen im festgelegten Bereich führt in der Tendenz zu einer besseren Filtrierleistung als bei Filtern mit Porengrößen außerhalb eines solchen Bereichs.
Normalerweise werden erfindungsgemäße Kerzenfilter bei Temperaturen im Bereich von etwa 300ºC bis etwa 1200ºC (eher typisch etwa 500ºC bis etwa 1000ºC) verwendet, und Ausführungsformen können bei diesen verwendet werden.
Vorzugsweise wird das Kerzenfilter 14 durch eines der vorgenannten oder ein anderes geeignetes Verfahren so aufgebaut und geformt, daß es außen dem Schumacher-Filter ähnelt und am stärksten bevorzugt dagegen austauschbar ist. Das so hergestellte Kerzenfilter ist wesentlich leichter als ein ähnlich bemessenes Schumacher-Filter (etwa 10% bis 25% des Gewichts eines Schumacher-Filters vergleichbarer Größe und am häufigsten etwa 15%). Dadurch kann das im Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Kerzenfilter leichter als herkömmliche Schumacher-Filter angehoben und manuell gehandhabt werden, z. B. bei Filtereinbau oder -austausch in einer Einhausung. Ein weiterer Vorteil erfindungsgemäßer Kerzenfilter gegenüber Schumacher-Filtern besteht darin, daß die strukturellen Stützen für die Filter mit weniger Material (normalerweise Metallegierungen) hergestellt werden können.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Kerzenfilteranordnung allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Die Kerzenfilteranordnung 10 weist ein Gehäuse 12 zum Stützen eines Kerzenfilters 14 auf. Das Kerzenfilter 14 ist allgemein länglich und vorzugsweise so geformt und bemessen, daß es gegen Schumacher-Filter austauschbar ist.
Ein offenes Ende 18 des Filters ist so aufgebaut, daß es eine Kardanaufhängung bei 40 bildet. Die Kardanaufhängung 40 verfügt über einen abgeschnittenen kugelförmigen Kappenabschnitt 41 mit einem abgeschnittenen halbkugelförmigen Querschnittprofil mit einem Mittelpunkt 42 in Ausrichtung zu einer Längsachse 44 des Kerzenfilters und in einer Ebene 46, die durch eine Endkante 52 des offenen Endes 18 festgelegt ist. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat eine Wand 22 eine gleichmäßige Dicke, so daß eine Innenfläche 48 und Außenfläche 50 der Kardanaufhängung parallel sind. Durch den Durchmesser der Kardanaufhängung 40 kann ein gleitendes Einsetzen in eine Aufnahme 60 des Gehäuses 12 erfolgen, wobei der Rest des Kerzenfilters und ein geschlossenes Ende 202 davon vorstehen.
Vorgesehen ist eine Einrichtung, um das Kerzenfilter 14 so am Gehäuse anzuordnen, daß das Kerzenfilter um die Kardanaufhängung als Reaktion auf Seitenkräfte schwenken kann (z. B. Kräfte, die allgemein senkrecht zur Achse 44 sind). In der gezeigten Ausführungsform verfügt die Anordnungseinrichtung über einen Klemmring 64 mit einer Öffnung 66, durch die sich das Kerzenfilter erstreckt, und einer Klemmfläche 68, die sich an die Außenseite 50 der Oberfläche 41 der Kardanaufhängung 40 des Kerzenfilters 14 eng anpaßt und sie stützt.
Das heißt, die Klemmfläche 68 ist gleichermaßen eine abgeschnittene Halbkugel mit einem Mittelpunkt bei 42 in Fig. 2, wenn sie am Gehäuse angeordnet ist. Diese Anordnung erlaubt eine Schwenkbewegung des Kerzenfilters gegenüber dem Gehäuse.
Der Klemmring 64 ist in der Aufnahme 60 des Gehäuses gleitend aufgenommen und am Gehäuse z. B. durch einen oder mehrere Bolzen 70 befestigt, die sich durch Löcher 72 in einem Ringflansch 74 erstrecken. Die Bolzen 70 erstrecken sich durch ausgerichtete Löcher 76 in einem Ringflansch 78 des Gehäuses und stehen im Schraubeingriff mit Muttern 77 auf der Gegenseite des Ringflanschs 78. Natürlich kann jede alternative Anordnung zum Befestigen des Klemmrings am Gehäuse verwendet werden, die sich möglicherweise als vorteilhaft erweist, z. B. indem die Bolzen 70 in zusammenwirkende Gewinde (nicht gezeigt) in den Löchern 78 eingreifen.
Obwohl erfindungsgemäße Filter weniger wiegen als ein herkömmliches Schumacher-Filter, sind solche Kerzenfilter bei axialen Druckkräften aber relativ brüchig. Die Befestigung eines Schumacher-Filters in einem Gehäuse erfolgt mit Bolzen, die mit einem Drehmoment von 20 Inch-Pound (2,26 Newtonmeter) angezogen werden. Bei dieser Kraft würde das Kerzenfilter der Erfindung eine unerwünschte Neigung zum Reißen, Brechen oder anderweitigen strukturellen Versagen bei Anordnung am Gehäuse entwickeln. Mit der in der US-A-5474586 (Eaton et al.) beschriebenen Kerzenfilteranordnung wird dieses Problem beseitigt. Obwohl Kerzenfilter, z. B. die hier beschriebenen, relativ schwach bei axialer Druckbeanspruchung sind, sind sie wesentlich fester bei Druckbeanspruchung durch die Wand.
In der Ausführungsform von Fig. 2 weist die Einrichtung zur Umleitung der Axialkraft einen Einsatz oder Stopfen 90 auf, der auch in Fig. 3 gezeigt ist. Der Einsatz 90 verfügt über einen Durchgang 92, der sich axial und in Ausrichtung zum Hohlraum 206 des Kerzenfilters 14 und zur Aufnahme 60 des Gehäuses durch ihn erstreckt und einen ausreichenden Durchmesser hat, damit der Fluidstrom durch die Kerzenfilteranordnung 10 nicht wesentlich behindert wird. Der Einsatz 90 hat ein Außenprofil, das sich dem Innenprofil des Kerzenfilters 14 eng anpaßt und insbesondere eine Stützfläche 94 aufweist, die zur Fläche 48 der Kardanaufhängung 40 ausgerichtet ist. Die Stützfläche ist gleichermaßen eine abgeschnittene halbkugelförmige Oberfläche, die um den Punkt 42 zentriert ist. Ein Abschnitt des Einsatzes erstreckt sich in den Hohlraum 206 des Kerzenfilters und paßt sich ebenfalls eng daran an.
Bevorzugt ist, daß die Endkante 52 des Kerzenfilters von einer Kante 96 des Einsatzes 90 gemäß Fig. 2 so beabstandet ist, daß keine axialen Druckkräfte auf das Kerzenfilter ausgeübt werden. Erreichen läßt sich dies durch Verlängern der Endfläche 96 des Einsatzes über die durch das Ende des Kerzenfilters festgelegte Ebene 46 hinaus. Eine Dichtung 102 befindet sich in einer Ringnut 104 des Gehäuses 12 und in Berührung mit einer Kante 97 des Einsatzes 90, um dazwischen abzudichten. Die Dichtung 102 kann aus Keramikpapier hergestellt sein, das Aluminiumsilikat- und/oder Aluminiumoxidfasern aufweist, z. B. das Material Nr. UT-3300-2 von Cotronics, Brooklyn, NY. Damit ist die Endkante 52 des Kerzenfilters 14 von der Kante 96 oder jeder Berührung mit dem Gehäuse 12 beabstandet und von der Kraft isoliert, die zum Befestigen des Filters am Gehäuse erforderlich ist.
Alternativ kann die Endkante 52 des Kerzenfilters 14 in direkter oder indirekter Berührung mit der Kante 96 stehen, wenn die Relativmaße und der Aufbau der Kerzenfilteranordnung so wirken, daß sie die auf das Kerzenfilter ausgeübte axiale Druckkraft auf einen akzeptablen Wert begrenzen. Allerdings können dabei Schwierigkeiten beim ausreichenden Abdichten der Kerzenfilteranordnung auftreten.
Darstellungsgemäß befindet sich eine Dichtung 108 in der Kardanaufhängung 40 des Kerzenfilters und umgibt sie. Hergestellt sein kann die Dichtung 108 z. B. aus Schlauchmaterial (z. B. von 3M Company unter dem Handelsnamen "NEXTEL 312" zu beziehen), das "wulstringförmig" vernäht ist, wobei Keramikoxidfasern (z. B. von ICI Americas, Inc., Wilmington, DE unter dem Handelsnamen "SAFFIL" (eine Aluminiumoxidfaser) zu beziehen) oder andere geeignete Keramikfaserschnitzeln zum Füllen des Schlauchs und Abfedern dienen. Die Schlauchdichtung 108 ist z. B. auch von North American Seal & Supply Inc. Cleveland, OH erhältlich, wobei davon ausgegangen wird, daß sie Keramikoxidfasern nutzt, die von 3M Company unter dem Handelsnamen "NEXTEL 312" vertrieben werden. Eine Schlauchdichtung 110 ist über den Hals und die Halbkugelfläche des Kerzenfilters gezogen und erstreckt sich durch die Öffnung 66 im Klemmring 64.
Eine Dichtung 112, die z. B. aus den für die Dichtung 108 beschriebenen Materialien hergestellt sein kann, ist ebenfalls vorgesehen und zwischen der Außenfläche 94 des Einsatzes und der Innenfläche 48 der Kardanaufhängung des Kerzenfilters eingefügt. Diese Dichtung soll die unebene Oberfläche des Kerzenfilters ausgleichen und dazu beitragen, Kräfte über der gesamten Fläche 48 der Kardanaufhängung zu verteilen und das Schwenken des Kerzenfilters gegenüber dem Gehäuse zu erleichtern.
Die Dichtungen 102, 108, 110 und 112 wirken so, daß sie gegen Fluidaustritt um das Kerzenfilter 14 abdichten und im übrigen das Kerzenfilter elastisch abfedern.
Die Kerzenfilteranordnung 10 bildet eine wirksame Anordnung zum Ausfiltern von Teilchen aus einem Fluid, z. B. einem Strom erwärmter Gase. Deutlich ist, daß insbesondere das Gehäuse 12, der Klemmring 64, der Einsatz 90 sowie allgemein alle Komponenten der Kerzenfilteranordnung vorzugsweise aus Materialien aufgebaut sind, die durch Einwirken erhöhter Temperaturen sowie der Chemikalien oder Bestandteile, die im Betrieb auftreten können, nicht beeinträchtigt werden. Ferner ist erwünscht, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Komponenten so ausgewählt sind, daß die Einwirkung erhöhter Temperaturen den Betrieb der hierin beschriebenen Kerzenfilteranordnung nicht stört.
Die Kerzenfilteranordnung 10 kann einzeln verwendet werden, wird aber meist in Verbindung mit mehreren gleichen Kerzenfilteranordnungen 10 eingesetzt, um ein Filtrationssystem 118 gemäß Fig. 4 zu bilden. Das Filtrationssystem 118 weist eine fluiddichte Einhausung 120 mit einer Innenkammer 122 auf. Ein Rohrboden bzw. eine Rohrplatte 124 ist in der Kammer 122 angeordnet und weist mehrere Öffnungen 126 auf, die eine geeignete Anordnung haben. Die Rohrplatte 124 unterteilt die Kammer 122 in einen unteren "unreinen" Abschnitt 132 und ei nen oberen "reinen" Abschnitt 134. Ausgangsanschlüsse 128 jeder Kerzenfilteranordnung sind in jeder Öffnung 126 angeordnet, von denen jedes Kerzenfilter 10 herabhängt.
Über einen Einlaßanschluß 130 kann ein Strom erwärmter teilchenhaltiger Gase unter Druck in den unteren oder "unreinen" Abschnitt 132 der Kammer 122 eingeleitet werden. Dieser erwärmte Gasstrom wird durch die Wände der hierin diskutierten Kerzenfilter gepreßt, wodurch die Teilchen außen an den Kerzenfiltern ausgefiltert werden. Die gefilterten Gase treten aus den Ausgangsanschlüssen 128 der Kerzenfilteranordnungen in die obere oder "reine" Kammer 134 aus und werden dann aus der Kammer durch einen Auslaßanschluß 136 abgegeben.
Übermäßigem Teilchenaufbau außen an den Kerzenfiltern kann man durch Schwenken der Kerzenfilter gemäß der vorstehenden Beschreibung entgegenwirken. Jedoch ist es periodisch notwendig, Teilchenansammlungen außen an den Kerzenfiltern zu entfernen. Am zweckmäßigsten geschieht dies durch Einleiten eines Druckfluids über einen Anschluß 138 zur Impulsreinigung in der Reinkammer 134 aus einer (nicht gezeigten) Quelle für ein geeignetes Fluid, z. B. Druckluft. Das Reinigungsfluid durchfließt die Kerzenfilter in umgekehrter Richtung (z. B. vom Kerzenfilterinneren nach außen) und in die untere unreine Kammer 132. Durch diesen Durchfluß werden Teilchen von der Außenseite der Kerzenfilter gelöst, und diese gelösten Teilchen fallen in einen Reinigungsanschluß 140 am Boden der unteren Kammer zur anschließenden Entfernung.
Eine nichtausschließende Aufstellung von Materialien, die beim Aufbau des Gehäuses 12, Klemmrings 64 und Einsatzes 90 verwendet werden können, enthält Stahl, rostfreien Stahl (am stärksten bevorzugt rostfreien Stahl 316), Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän, andere schwerschmelzende Metalle, Niob, Tantal, Titan, Eisen oder deren Legierungen, Keramik (z. B. Aluminiumoxid, Cordierit, Si&sub3;N&sub4;, Zirkonoxid, Kohlenstoff, TiC, SiC, Mullit sowie Verbundwerkstoffe und Mischungen aus verschiedenen Keramikwerkstoffen) sowie Keramikverbundstoffe (faserverstärkt, teilchenverstärkt und faserkristall- bzw. whiskerverstärkt).
Mit dem nachfolgenden Beispiel werden Aufgaben und Vorteile der Erfindung näher veranschaulicht, wobei aber die in diesem Beispiel angegebenen speziellen Materialien und Mengen sowie weitere Bedingungen und Einzelheiten nicht als Einschränkung der Erfindung zu betrachten sind. Sofern nichts anderes angegeben ist, sind alle Teil- und Prozentangaben gewichtsbezogen.

Beispiel

Ein erfindungsgemäßes Kerzenfilter wurde gemäß der nachfolgenden Darstellung ausgebildet. Hergestellt wurde eine erste Beschichtungszusammensetzung mit 1,25 Teilen Aceton, 1 Teil Isopropanol, 1,24 Teilen Dimethylsiloganpolymer (bezogen von Dow Corning) und 4,39 Teilen Aluminiumoxidteilchen (99% rein; Teilchengrößenbereich: 0,2 bis 50 Mikrometer, mittlere Teilchengröße: 0,5 Mikrometer; bezogen unter dem Handelsnamen "HPA 0,05" von Ceralog, Tuscon, AZ).
Aluminiumsilikat-Keramikoxidfaser (zu beziehen unter dem Handelsnamen "NEXTEL 550" von 3M Company) wurde zu einem triaxialen Geflechtschlauch (5,1 cm (2 Inch) Durchmesser) durch Atkins Pearce, Covington, KY verwebt (2,75 Einschüsse je cm (7 Einschüsse je Inch)). Der Schlauch wurde auf etwa 40,6 cm (16 Inch) Länge geschnitten, über einen Stab mit 2,5 cm (1 Inch) Durchmesser gezogen und mit der ersten Beschichtungszusammensetzung getränkt. Überschüssige Beschichtungszusammensetzung konnte vom getränkten Gewebe kurz ablaufen. Danach wurde das Gewebe auf einen Dorn mit 5,1 cm (2 Inch) Durchmesser aufgepaßt. Der Dorn hatte 35,6 cm (14 Inch) Länge mit einem geschlossenen Ende und etwa die gleiche Form wie das in Fig. 1 gezeigte Kerzenfilter (d. h. mit einem abgeschnittenen halbkugelförmigen Querschnittprofil an einem Ende). Am offenen Dornende hatten die ersten 10,2 cm (4 Inch) einen Durchmesser von 7 cm (2,75 Inch), gefolgt von einer 1,6 cm (0,62 Inch) langen Übergangszone, in der sich der Dorndurchmesser auf 5,1 cm verringerte. Die Enden des Gewebes wurden am geschlossenen Dornende umgefaltet, und das Gewebe wurde über dem Dorn so geglättet, daß es der Dornform entsprach.
Ein 15,2 cm (6 Inch) langer Keramikoxidfaserschlauch ("NEKTEL 550"; glattes Geflecht, 2,75 Einschüsse/cm, 7,6 cm Durchmesser) wurde mit der ersten Beschichtungszusammensetzung getränkt und danach über den Dorn am Ende mit größerem Durchmesser gezogen. Dieses Gewebestück dient zur zusätzlichen Verstärkung für den Anordnungsbereich des Kerzenfilters.
Nähfaden aus Aluminiumborsilikat-Keramikoxid (zu beziehen von 3M Company unter dem Handelsnamen "NEXTEL 312") wurde verwendet, um das zweite Gewebestück am ersten Gewebestück zu befestigen und dazu beizutragen, beide Gewebestücke am Dorn zu befestigen.
Ein Silikongummi (erhältlich unter dem Handelsnamen "DOW CORNING RTV TYPE J" von Dow Corning, Midland, MI) wurde in einen Schlauch in Form des größeren Dornendes unter Verwendung einer Form der gewünschten Formgestalt gegossen. Dieser Silikonschlauch wurde über das Gewebe auf dem Dorn aufgepaßt und dann festgeklemmt. Diese das Gewebe tränkende Beschichtungszusammensetzung konnte in der Luft bei Raumtemperatur etwa. 2 bis 3 Stunden trocknen, wonach die Klemmen und der Silikonschlauch entfernt wurden.
Ein 17,8 cm (7 Inch) breites, 1,6 mm (1/16 Inch) dickes Aluminiumoxidfaser-Keramikpapier (im Handel als Nr. UT-3300-2 von Cotronics, Brooklyn, NY erhältlich) wurde auf etwa 24,8 cm (9,75 Inch) Länge geschnitten und mit einer zweiten Beschichtungszusammensetzung getränkt. Die zweite Beschichtungszusammensetzung wies 1,25 Teile Aceton, 1 Teil Isopropanol und 2,25 Teile des Dimethylsiloganpolymers auf.
Das getränkte Keramikpapier wurde an der Luft getrocknet (etwa 2 bis 3 Stunden bei Raumtemperatur), bis es etwas klebrig war. Das getrocknete Papier wurde mit einem Klebstoff (erhältlich unter dem Handelsnamen "SUPER 77 SPRAY ADHESIVE" von 3M Company) besprüht, um dazu beizutragen, es am Gewebe zu befestigen, das den Dorn bedeckte. Das Papier wurde um den mit Gewebe bedeckten Dorn am Abschnitt mit 5,1 cm Durchmesser mit einer Überlappung von 0,63 cm (1/4 Inch) gewickelt.
Zum Abdecken des geschlossenen Endes des resultierenden Rohrs mit Keramikpapier wurde ein Keramikpapierstück blütenförmig geschnitten, und ein zweites wurde kronenförmig ge schnitten, so daß sie sich über das Ende aufpaßten. Diese beiden Keramikpapierstücke wurden mit der zweiten Beschichtungszusammensetzung getränkt und in der Luft bis zur Klebrigkeit getrocknet (etwa 2 bis 3 Stunden bei Raumtemperatur). Danach wurden diese Papierstücke über das geschlossene Ende des Dorns oben auf die geglätteten Gewebeabschnitte aufgepaßt.
Eine Außenschicht wurde so hergestellt, daß sie sich über die Keramikpapierschicht aufpaßte. Ein offenes glattes Geflecht-(Maschen)-Material (2,4 Einschüsse je cm (6 Einschüsse je Inch); zu beziehen von Intec Products, Anaheim, CA), hergestellt aus Aluminiumsilikat-Keramikoxidfaser ("NEX- TEL 550"), wurde über das Keramikpapier aufgepaßt. Das offene Geflechtmaterial wurde auf etwa 33 cm (13 Inch) Länge geschnitten, über einen Stab mit 2,5 cm (1 Inch) Durchmesser gezogen, und die erste Beschichtungszusammensetzung wurde über das offene Geflechtmaterial gegossen, um es zu tränken. Überschüssige Beschichtungszusammensetzung konnte von getränkten offenen Gewebematerial kurz ablaufen. Danach wurde das offene Gewebematerial auf den Dorn über das Keramikpapier geschoben, über dem Dorn geglättet und am geschlossenen Ende zusammengerafft. Das Ende am Übergangsbereich (d. h. wo der Durchmesser des Dorns zunimmt) wurde mit Keramikoxid-Nähfaden ("NEXTEL 312") verschnürt, und das zusammengeraffte Ende wurde mit 5 Schlingen des Keramikoxid-Nähfadens umwickelt.
Die Gesamtlänge des resultierenden Kerzenfiltervorformlings wurde mit einem Wärmeschrumpf-Nylonband (zu beziehen von DuPont, Canada unter dem Handelsnamen "100 NYLON") umwickelt und 60 Minuten in einen Ofen bei 135ºC gegeben, um das Band zu schrumpfen, danach auf 162ºC erwärmt und auf dieser Temperatur 60 Minutengehalten, um die Beschichtungszusammensetzungen zu härten. Nach dem Härten wurde der Vorformling aus dem Ofen entnommen, und das Wärmeschrumpfband wurde entfernt. Der resultierende gehärtete Vorformling wurde vom Dorn abgezogen, in einen Elektroofen gegeben und mit 1ºC/min auf 300ºC erwärmt, 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten; mit 2ºC/min auf 500ºC erwärmt; 90 Minuten auf dieser Temperatur gehalten; mit 1ºC/min auf 700ºC erwärmt; 15 Minuten auf dieser Temperatur gehalten; mit 1ºC/min auf 870ºC erwärmt; 6 Stunden auf dieser Temperatur gehalten; und danach mit 2ºC/min auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei das siliziumhaltige Polymer in Silikatkeramikmaterial umgewandelt und ein Oxid-Oxid-Kerzenfilter gebildet wurde.
Zum Schneiden des Kerzenfilters auf die gewünschte Länge kam eine Keramiksäge zum Einsatz. Insbesondere wurde das offene Rohrende mit großem Durchmesser etwa 1,25 cm vor dem Übergangsbereich gemäß Fig. 1 abgeschnitten.
Durchlässigkeit und maximaler Porendurchmesser wurden nach ASTM E128-94 "Standard Test Method for Maximum Pore Diameter and Permeability of Rigid Porous Filters for Laboratory Use" mit der Ausnahme bestimmt, daß das Verfahren so abgewandelt war, daß es der Form eines Kerzenfilters Rechnung trug. Diese ASTM-Prüfung diente zur Messung der Wanddurchlässigkeit des Kerzenfilters. Das offene Rohrende war an einem Durchlässigkeitsprüfer (Instrument Marketing Services, Inc., Hoboken, NJ) angebracht, und Luft wurde durch die Kerzenfilterwand gesaugt. Mit einem kalibrierten Manometer am Ausgangsende des Kerzenfilters wurde die Druckdifferenz zwischen dem Kerzenfilterinneren und Kerzenfilteräußeren gemessen. Mit einem zweiten Manometer wurde der Luftdurchfluß durch das Kerzenfilter gemessen. Die Durchlässigkeitsberechnung erfolgte, indem die Durchflußgeschwindigkeit durch das Kerzenfilter durch die Oberfläche des Kerzenfilters dividiert wurde. Die mittlere Durchlässigkeit des Kerzenfilters betrug 171 cm/min/- cm H&sub2;O.
Die Bestimmung der maximalen Porengröße des Kerzenfilters erfolgte durch Verstopfen des offenen Endes der Filterkerze mit einem Stopfen aus gegossenem Silikongummi ("DOW CORNING RTV TYPE J") mit zwei durchgehenden Röhren, eine zu einem Druckregler, eine zu einem Manometer; Eintauchen des Filters in einen Wassertank und Erhöhen des Drucks, bis eine Blase erscheint; Ablesen des Manometers und Berechnen einer Porengröße. Die größte Porengröße betrug 120 Mikrometer.
Das Kerzenfilter wurde in einer Anordnung gemäß Fig. 2 angeordnet. Eine Innendichtung (Dichtung 112) (von North American Seal & Supply Inc. Cleveland, OH, wobei davon ausge gangen wird, daß sie Keramikoxidfasern nutzt, die von 3M Company unter dem Handelsnamen "NEXTEL 312" vertrieben werden) wurde in das Kerzenfilter gegeben. Bei der Dichtung 112 handelte es sich um eine Ringwulst mit 3 cm Innendurchmesser und 7,6 cm Außendurchmesser. Auf der Außenseite des Kerzenfilters wurde ein 10,2 cm (4 Inch) langer Schlauch aus Keramikgewebeschlauchmaterial mit 6,25 cm (2,5 Inch) Durchmesser (erhältlich unter dem Handelsnamen "NEXTEL 312" von 3M Company) über den Hals und den halbkugelförmigen Bereich gezogen (Dichtung 110). Über der Dichtung 110 wurde eine 0,7 cm dicke Ringwulstdichtung 108 mit 5,1 cm Innendurchmesser und 8,3 cm Außendurchmesser unter der gewölbten Kante des Kerzenfilters plaziert. Die Dichtung 108 wurde über die Schlauchdichtung 110 gezogen und unter der gewölbten Kante der Filterkerze plaziert. Bei der Dichtung 108 handelte es sich um eine Ringwulst mit 4,5 cm Innendurchmesser und 8,5 cm Außendurchmesser. Hergestellt war die Dichtung 108 aus Aluminiumborsilikatfasergeflecht ("NEXTEL 312"), das mit Aluminiumoxidfasern (im Handel von ICI Americas, Inc., Wilmington, DE unter dem Handelsnamen "SAFFIL" zu beziehen) angefüllt war. Die Dichtung 102 wurde in die Ringnut 97 des Einsatzes 90 gegeben. Bei der Dichtung 102 handelte es sich um eine Ringwulst mit 8,0 cm Außendurchmesser und 7,0 cm Innendurchmesser. Die Dichtung 102 war aus Aluminiumoxid-Keramikpapier aufgebaut (bezogen von Cotronics, Brooklyn, NY unter dem Handelsnamen "No. UT-3300-2").
Der aus rostfreiem Stahl 316 aufgebaute Einsatz 90 wurde in das Kerzenfilter gegeben. Der Einsatz 90 hatte Maßlängen "a" "b", "c", nd", "f", "g", "g", "h", "k" und "l" von 8,0 cm (3,15 Inch), 7,0 cm (2,75 Inch), 4,2 cm (1,65 Inch), 4,7 Cm (1,85 Inch), 6,1 cm (2,4 Inch), 0,6 cm (0,25 Inch), 2,3 cm (0,913 Inch), 2,9 cm (1,15 Inch), 4,2 cm (1,655 Inch), 0,3 cm (0,13 Inch), 0,3 cm (0,125 Inch) und 3,3 cm (1,30 Inch). Der Einsatz/das Kerzenfilter wurde in eine herkömmliche Rerzenfilterhalterung mit den Dichtungen 102, 108, 110 und 112 eingebaut. Die Dichtungen dienten als Abdichtringe zum Minimieren von Fluidaustritt um das Kerzenfilter und zum Abfedern des Kerzenfilters.

Claims

1. Kerzenfilter mit:

(a) einem selbsttragenden Rohr, das eine fluiddurchlässige Wand hat und erste gewebte, geflochtene, gewirkte oder filamentgewickelte Keramikoxidfasern und eine erste Bindephase aufweist, wobei das Rohr ein geschlossenes Ende, ein gegenüberliegendes offenes Ende und einen mit dem offenen Ende kommunizierenden Innenhohlraum hat; und

(b) einer fluiddurchlässigen Filterschicht an der Wand des Rohrs, wobei die Filterschicht weniger durchlässig als die Wand ist, zweite Keramikoxidfasern in Form eines Vlieses und eine zweite Bindephase aufweist, die mit den zweiten Keramikoxidfasern bindet, und die so angeordnet ist, daß das Kerzenfilter fluiddurchlässig ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Bindephase eine erste Silikatkeramikoxid-Bindephase bzw. eine zweite Silikatkeramikoxid-Bindephase sind.

2. Kerzenfilter nach Anspruch 1, wobei das selbsttragende Rohr ferner erste Keramikoxidteilchen aufweist, wobei die ersten Keramikoxidteilchen um die ersten Keramikoxidfasern eingestreut sind und die erste Keramikoxid- Bindephase die ersten Teilchen und die ersten Fasern miteinander verbindet;

wobei das Kerzenfilter ferner aufweist:

eine die Filterschicht bedeckende fluiddurchlässige Überzugschicht, wobei die Überzugschicht durchlässiger als die Filterschicht ist und die Überzugschicht aufweist:

(i) dritte Keramikoxidfasern;

(ii) zweite Keramikoxidteilchen; und

(iii) eine dritte Silikatkeramikoxid-Bindephase, wobei die zweiten Keramikoxidteilchen um die dritten Reramikoxidfasern eingestreut sind und die dritte Keramikoxid-Bindephase die zweiten Teilchen und die dritten Fasern miteinander verbindet,

wobei die Filterschicht und die Überzugschicht so angeordnet sind, daß das Kerzenfilter fluiddurchlässig ist.

3. Kerzenfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Silikatbindephase aus siliziumhaltigem Polymer abgeleitet wurden, das unabhängig aus Silanpolymeren, Polycarbosilanpolymeren, Vinylpolysilanpolymeren, Dimethylsiloxanpolymeren, Silikonharzen und deren Mischungen ausgewählt ist, wobei die Polymere auf eine ausreichende Temperatur in einer oxidierenden Atmosphäre so erwärmt wurden, daß die Polymere in Silikat umgewandelt wurden.

4. Kerzenfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das selbsttragende Rohr ein Gewebe aus den Keramikoxidfasern aufweist.

5. Kerzenfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rohr erste Keramikoxidteilchen aufweist, wobei die ersten Keramikoxidteilchen um die ersten Keramikoxidfasern eingestreut sind und die erste Keramikoxid- Bindephase die ersten Teilchen und die ersten Fasern miteinander verbindet.

6. Kerzenfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten Keramikoxidteilchen aus Aluminiumoxidteilchen, Zirkonoxidteilchen, Yttriumoxidteilchen, Mullitteilchen, Hafniumoxidteilchen und deren Kombinationen ausgewählt sind.

7. Kerzenfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und zweite Silikatbindephase aus siliziumhaltigem Polymer abgeleitet wurden, das unabhängig aus Silanpolymeren, Polycarbosilanpolyme ren, Vinylpolysilanpolymeren, Dimethylsiloxanpolymeren, Silikonharzen und deren Mischungen ausgewählt ist, wobei die Polymere auf eine ausreichende Temperatur in einer oxidierenden Atmosphäre so erwärmt wurden, daß die Polymere in Silikat umgewandelt wurden; wobei die ersten Keramikogidteilchen aus Aluminiumogidteilchen, Zirkonoxidteilchen, Yttriumoxidteilchen, Mullitteilchen, Hafniumoxidteilchen und deren Kombinationen ausgewählt sind; wobei die ersten und zweiten Keramikoxidfasern unabhängig aus ATuminiumoxidfasern, Aluminiumsilikatfasern, Aluminiumborsilikatfasern und deren Kombinationen ausgewählt sind, und wobei das selbsttragende Rohr ein Gewebe aus den Keramikoxidfasern aufweist.

8. Kerzenfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem zum offenen Ende benachbarten Kardanaufhängungsabschnitt.

9. Kerzenfilteranordnung zum Ausfiltern von Teilchen aus einem Fluid, wobei die Anordnung aufweist:

(a) ein Kerzenfilter nach Anspruch 8;

(b) ein Anordnungsteil mit einem Auslaß;

(c) eine Einrichtung zum schwenkbaren Anordnen der Kardanaufhängung des Kerzenfilters am Anordnungsteil, wobei das geschlossene Ende des Kerzenfilters davon vorsteht und das offene Ende mit dem Auslaß des Anordnungsteils kommuniziert, wodurch das Kerzenfilter gegenüber dem Anordnungsteil abgelenkt werden kann;

(d) wobei die Kerzenfilteranordnung geeignet ist, das Fluid vom Äußeren des Kerzenfilters durch das Kerzenfilter und durch das offene Auslaßende des Kerzenfilters so durchfließen zu lassen, daß sich mindestens ein Teil der Teilchen aus dem Fluid auf der Filterschicht ansammelt; und

(e) eine Einrichtung zum Umleiten von axialen Druckkräften, die auf das Kerzenfilter ausgeübt werden, in Druckkräfte durch die Wand, um Schäden am Kerzenfilter zu vermeiden.

10. Verfahren zur Herstellung eines Kerzenfilters, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(a) Herstellen eines Rerzenfiltervorformlings mit:

(A) einem Keramikogidgewebe, -geflecht oder -gewirk, das mit einer ersten Zusammensetzung getränkt ist, die eine Mischung aus folgendem aufweist:

(i) erste Keramikoxidteilchen;

(ii) siliziumhaltiges Polymer; und

(iii) organisches Lösungsmittel; und

(B) einer Vliesmatte aus Keramikoxidfasern, die mit einer zweiten Zusammensetzung getränkt ist, wobei die zweite Zusammensetzung eine Mischung aus folgendem aufweist:

(i) siliziumhaltiges Polymer; und

(ii) organisches Lösungsmittel,

wobei die getränkte Vliesmatte und das getränkte Gewebe jeweils nebeneinanderliegende Hauptflächen haben;

(b) mindestens teilweises Trocknen der ersten und zweiten Zusammensetzung;

(c) Härten der ersten und zweiten Zusammensetzung; und

(d) Brennen der gehärteten ersten und zweiten Zusammensetzung,

um ein Kerzenfilter zu bilden, das ein selbsttragendes Rohr mit einer fluiddurchlässigen Wand und einer aus der Vliesmatte hervorgehenden fluiddurchlässigen Filterschicht an der Wand aufweist, wobei die Filterschicht weniger durchlässig als die fluiddurchlässige Wand ist, die Filterschicht so angeordnet ist, daß das Kerzenfilter durchlässig ist, und das Rohr ein geschlossenes Ende, ein gegenüberliegendes offenes Ende und einen mit dem offenen Ende kommunizierenden Innenhohlraum hat.