Abstract:
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. ... mehrInsbesondere 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.
Abstract (englisch):
In this work, the impact of media properties and the use of different media in oil mist filtration was investigated. Based on mechanisms occuring in the media during coalescence filtration, the relevance of media structure, wettability and media configuration was assessed.
An experimental approach was chosen to investigate these aspects. First, suitable methods for the characterization of filtration relevant properties were identified and evaluated. For the acquisition of structural parameters, imaging techniques were used among other methods. Particularly for the characterization of microscale structural parameters, the spatial resolution of these methods is crucial. ... mehrRegarding the resolution, the scanning electron microscopy is suitable for imaging the smallest structures. However, it is hardly possible to obtain information from the interior of the media. Micro computed tomography, on the other hand, provides 3D volume data of the medium, so that an assessment of the media structure in regions that are hardly accessible with a microscope is possible. With this method, fiber diameter distributions of various media have been determined. It was found that these corresponded quite well to the nominal fiber diameters used during media production. However, finest fibers have not been sufficiently measured due to the limited resolution of the method compared to SEM. Fiber orientation distributions relative to flow direction were determined. Most fibers of the wet laid media were oriented perpendicular to the direction of flow. Pore size distributions were also determined from the obtained volume data. The relatively small spatial dimensions of high-resolution images and the high computational and temporal effort for obtaining and analyzing the images, however, call into question the practicality of this method. Due to its feasibility and the relatively low technical complexity of the equipment, capillary flow porometry is to be preferred to micro computed tomography as a method for pore characterization. For the characterization of the structural homogeneity of the media, a method based on fractal geometry was implemented. The differential boxcounting method was used to determine the lacunarity as a characterizing value for the homogeneity of filter media based on the analysis of backlit images of the media.
The determination of the influence of microscale structural properties was complicated by the fact, that the two properties of interest - the pore size distribution and the fiber size distribution/fine fiber content - cannot easily be varied independently of each other during the production of the media. Increasing the fine fiber content of media lead to a decrease of mean pore diameter, while the differential pressure and the separation efficiency increased. A correlation between the fine fiber content/porosity diameter and the increase in differential pressure caused by film formation has been observed. This can however not easily be applied to other media with different fiber composition and/or pore size distribution.
The structural homogeneity of oleophilic filter media, in particular the homogeneity of the foremost upstream filter layer has been identified as a significant factor impacting the operating behavior of the filters, since the processes in this layer play a decisive role in the formation of liquid channels in the filter. Separated oil collects due to capillarity in structurally denser or finer regions of the first layer and channels are formed behind these regions with increasing oil load. In the case of very homogeneous media, the absence of such defined areas leads to uniform deposition and accumulation of oil in the first filter layer before channels are formed. In the differential pressure curve, this can be seen in a depth filter- like increase of differential pressure at the beginning of operation, which eventually transitions into a linear increase of differential pressure due to channel formation. At very slow filtration velocities an impact of media homogeneity beyond the first layer has been observed. The oil distribution within very homogeneous media changes from defined channels to a conically tapering form to the filter rear, while for inhomogeneous media a uniform distribution of channels within the filter is largely maintained.
The thickness of the filter sandwich (i.e., the number of layers used) affects not only the initial pressure drop but also the increase in differential pressure during channel formation. Moreover, penetration increases linearly during channel formation, so adding more layers also results in a greater increase in penetration compared to the initial penetration during channel formation. The film, on the other hand, results in a decrease in penetration because it acts as an inertial separator. So it is possible that the total filtration efficiency of the filters can increase in the quasi-steady state compared to the unloaded state. When using a high number of layers or highly efficient media, the reentrainment of droplets on the clean gas side is the dominant mechanism for oil concentration in the clean gas.
When using different media in a filter, certain configurations show significant advantages in terms of their operating behavior. Two main reasons for improved operating performance were identified: on the one hand, the adoption of channel structures from a preceding medium, so that the resulting saturation in the medium is significantly lower than it would be through ”free” channel formation. On the other hand, a significantly lower differential pressure can be achieved by avoiding film formation on the face of fine-pored media. In configurations with a coarse oleophilic medium on the upstream side and a fine oleophobic medium on the downstream side, an incomplete film occurs at the media interface, so that the differential pressure increase is also significantly lower for this case.
Besides the media, the support grid used in filters also has a significant impact on the liquid distribution in the filter. For oleophilic media, significant differences in the differential pressure increase through film formation when using different downstream support grids can be seen. The reason for this behavior is that the film may not spread over the entire open area on the downstream side and some openings may remain film-free.
Further aspects of coalescence filter design, such as filter geometry or the use of drainage media still need further evaluation. Correlations of above mentioned properties and entrainment of oil on the filter clean gas side were only marginally considered in this work and further investigations on this aspect are needed. Further open questions concern the composition of the aerosol, e.g., the presence of another solid or liquid phase.
