Einfluss von Filtermedieneigenschaften auf das Betriebsverhalten von Koaleszenzfiltern
Creators: name: Penner, Thomas
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Filtration
Ölnebelfiltration
Filtermedien
Faserfilter
Tropfenabscheidung
Koaleszenzfilter

description: In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Medieneigenschaften und der Einsatz unterschiedlicher Medien in der Ölnebelfiltration untersucht. Auf Grundlage der bei der Koaleszenzfiltration in Medien ablaufenden Mechanismen wurde dabei die Relevanz von Struktur, Benetzbarkeit und Medienkonfiguration in Filtern für deren Betriebseigenschaften evaluiert. Zur Untersuchung dieser Aspekte wurde eine experimentell gestützte Vorgehensweise gewählt. Zunächst wurden geeignete Methoden zur Charakterisierung von filtrationsrelevanten Medieneigenschaften identifiziert und bewertet. Für die Erfassung von Strukturparametern wurden unter anderem bildgebende Verfahren eingesetzt. Insbesondere bei der Charakterisierung von mikroskaligen Strukturgrößen spielt dabei das räumliche Auflösungsvermögen dieser Verfahren eine große Rolle. Die Rasterelektronenmikroskopie ist zwar hinsichtlich der Auflösung geeignet, um kleinste Strukturen abzubilden, jedoch lassen sich kaum Informationen aus dem Medieninneren gewinnen. Die Mikrocomputertomografie hingegen liefert 3D Volumendaten des Mediums, so dass eine Aufklärung der Struktur in mikroskopisch schwer zugänglichen Bereichen möglich ist. Mit dieser Methode ließen sich Faserdurchmesserverteilungen verschiedener Medien bestimmen, wobei festgestellt wurde, dass diese recht gut mit den nominell bei der Medienherstellung zugegebenen Faserdurchmessern übereinstimmen. Jedoch konnten feinste Fasern aufgrund der im Vergleich zu dem REM beschränkten Auflösung nur unzureichend erfasst werden. Die Orientierung der Fasern in Strömungsrichtung konnte ebenfalls bestimmt werden, wobei der überwiegende Anteil der Fasern für alle vermessenen Medien senkrecht zur Durchströmungsrichtung orientiert war. Aus den gewonnen Volumendaten konnten zudem Porendurchmesserverteilungen bestimmt werden. Die geringen räumlichen Abmessungen hochauflösender Aufnahmen und der hohe rechnerische und zeitliche Aufwand je gewonnener Aufnahme stellen allerdings die Praktikabilität dieser Methode infrage. Aufgrund ihrer schnellen Durchführbarkeit und dem relativ geringen apparatetechnischen Aufwand ist die Kapillarflussporometrie gegenüber der Mikrocomputertomografie als Porencharakterisierungsmethode zu bevorzugen. Zur Charakterisierung der Medienstrukturhomogenität wurde eine Methode basierend auf der fraktalen Geometrie implementiert. Mit der differenziellen Boxcounting Methode wurde die Lakunarität als kennzeichnende Größe für die Homogenität von Filtermedien auf Grundlage von Durchlichtbildern bestimmt. Die Bestimmung des Einflusses mikroskaliger Strukturgrößen wurde dadurch erschwert, dass sich die beiden im Fokus stehenden Größen - die Porengrößenverteilung und die Faserverteilung/der Feinstfaseranteil - nicht ohne weiteres bei der Produktion der Medien unabhängig voneinander ändern lassen. Bei Erhöhung des Feinstfaseranteils sank der mittlere Porendurchmesser, während Differenzdruck und Abscheidegrad anstiegen. Hier war insbesondere ein Zusammenhang von Feinstfaseranteil/Porendurchmesser und dem durch Filmbildung verursachten Differenzdruckanstieg feststellbar. Diese Feststellung ist so allerdings nicht pauschal auf andere Medien mit anderer Faserzusammensetzung und Porengrößenverteilung übertragbar. Die Strukturhomogenität von oleophilen Filtervliesen, insbesondere die Homogenität der vordersten Filterlage wurde als wesentlicher Einflussfaktor auf das Betriebsverhalten der Filter identifiziert, da die Vorgänge in dieser Lage eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung von Flüssigkeitskanälen im Filter spielen. Abgeschiedenes Öl sammelt sich aufgrund der Kapillarität bevorzugt in dichteren bzw. feineren Teilbereichen der ersten Lage und bildet bei zunehmender Ölbeladung hinter diesen Bereichen Kanäle aus. Bei sehr homogenen Medien führt die Abwesenheit solcher definierten Bereiche zu einer gleichmäßigen Abscheidung und Akkumulation von Öl in der ersten Filterlage vor der Bildung von Kanälen. Im Differenzdruckverlauf macht sich dies durch einen tiefenfilterähnlichen Anstieg direkt zu Beginn der Beladung bemerkbar, welcher schließlich in den linearen Anstieg durch Kanalbildung übergeht. Bei sehr langsamen Anströmgeschwindigkeiten ist ein Einfluss der Homogenität über die erste Lage hinaus erkennbar. So ändert sich die Ölverteilung innerhalb homogener Medien von abgegrenzten Kanälen hin zu einer trichterförmig zur Abströmseite hin zulaufenden Form, während für inhomogene Medien weitestgehend eine Gleichverteilung von Kanälen innerhalb des Filterpakets erhalten bleibt. Die Dicke der Filterpakete (d.h. die Anzahl der verwendeten Lagen) wirkt sich neben dem Anfangsdruckverlust auch auf den Anstieg des Differenzdruckes bei der Bildung von Kanälen aus. Darüber hinaus steigt die Penetration bei der Kanalbildung linear an, so dass das Hinzufügen weiterer Lagen analog auch einen stärkeren Anstieg der Penetration verglichen mit der Anfangspenetration bei der Kanalbildung nach sich zieht. Der Film führt hingegen zu einem Absinken der Penetration, da dieser als Trägheitsabscheider wirkt, so dass gegebenenfalls der Gesamtabscheidegrad der Filter im quasi-stationären Zustand höher sein kann als der Filter im unbeladenen Zustand. Bei einer hohen Anzahl an Lagen oder hocheffizienten Medien ist der Wiedereintrag von Tröpfchen an der Reingasseite der dominierende Mechanismus für die Ölkonzentration im Reingas. Bei der Verwendung unterschiedlicher Medien in einem Filterpaket zeigen bestimmte Konfigurationen hinsichtlich ihrer Betriebseigenschaften deutliche Vorteile. Die wesentlichen Ursachen sind zum einen die Übernahme von Kanalstrukturen aus einem vorhergehenden Medium, so dass sich beispielsweise eine geringere Sättigung in dem Medium einstellt als durch ”freie” Kanalbildung. Zum anderen lässt sich ein deutlich geringerer Differenzdruck durch Vermeidung der Filmbildung an feinporigen Medien realisieren. Bei Konfigurationen mit einem groben oleophilen Medium an der An- und einem feinen oleophoben Medium an der Abströmseite tritt zudem ein unvollständiger Film auf, so dass der Differenzdruckanstieg hier ebenfalls deutlich geringer ausfällt. Neben den Medien ist das in Filtern verwendete Stützgitter eine Komponente, welche ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Flüssigkeitsverteilung im Filter hat. So zeigen sich bei oleophilen Medien bei der Verwendung abströmseitiger Stützgitter deutliche Unterschiede bezüglich des Differenzdrucksanstiegs durch Filmbildung. Ursache hierfür ist, dass sich der Film u.U. nicht über die gesamte frei durchströmte Fläche an der Abströmseite ausbreitet, sondern Öffnungen filmfrei bleiben können. Für zukünftige Untersuchungen könnten weitere Aspekte der Filterauslegung, u.a. Filtergeometrie und Drainagemedien untersucht werden. Der Zusammenhang der oben genannten Eigenschaften mit dem Wiedereintrag von Öl an der Reingasseite wurde hier nur am Rande betrachtet und bedarf weiterer Aufklärung. Weitere offene Fragen betreffen die Art und Zusammensetzung des Aerosols, beispielsweise das Vorhandensein einer weiteren festen oder flüssigen Phase.