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Grundlegende Mechanismen der Penetration löslicher Filterkuchenbestandteile durch Filtermedien bei der Gasreinigung

Fachliche Zuordnung Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406085079
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Forschungsvorhaben befasste sich mit der Aufklärung von Penetrationsmechanismen löslicher Filterkuchenbestandteile durch Filtermedien in Gas-Partikel-Trennprozessen. Im Ergebnis konnte nachgewiesen werden, dass die Beaufschlagung eines mit wasserlöslichen Partikeln beladenen Filtermediums mit Wassertropfen-Aerosol zur Penetration von abgeschiedenen löslichem Partikelmaterial durch das Filter führen kann. Die grundlegenden Mechanismen beginnend mit der Wechselwirkung zwischen Tropfen und Partikelmaterial, der Lösung von Partikeln, dem Transport der Lösung und - den Penetrationsprozess beendend - die Kristallisation am bzw. im Filter und/oder die Drainage der Lösung wurden bei Oberflächenfiltern und Tiefenfiltern beobachtet und deren Einfluss insbesondere auf das Betriebsverhalten von Oberflächen und Tiefenfiltern bestimmt. Durch die Analyse mehrlagig aufgebauter Oberflächenfilter konnte gezeigt werden, dass eine kurzzeitige Beaufschlagung mit Wassertropfen ohne einsetzende abströmseitige Drainage zu Penetration von Lösung ins Filtermedium mit nachfolgender Trocknung zur Kristallisation des Partikelmaterials bei im Filterinnern führt. Das Salz verbleibt nach abschließender Durchströmungstrocknung wider Erwarten in der ersten Filterlage. Eine Variation der Strömungsrichtung während der Durchströmungstrocknung zeigte, dass die Trocknung maßgeblich beeinflusst, wo nach Beaufschlagung mit Wassertropfen das Salz in Oberflächenfiltern auskristallisiert. Die Benetzbarkeit von Filtermedien ist insbesondere bei Koaleszenzfiltern als wesentliche Einflussgröße für deren Betriebsverhalten identifiziert. Zwei mit Kaliumsulfat beladene Filtermedien mit gleicher Struktur, eines hydrophil, eines hydrophob, wurden daher während der kontinuierlichen Beaufschlagung mit Wassertropfen-Aerosol verglichen. Während das Betriebsverhalten des hydrophilen Filtermediums mit dem bekannten Kanal-Film-Modell beschrieben werden kann, weist der Differenzdruckverlauf des salzbeladenen hydrophoben Filters mit gleichem strukturellem Aufbau einen Anstieg im Differenzdruck auf, der nicht mit dem bekannten Kanal-Film- Modell zu beschreiben ist. Ein direkter Vergleich der simultanen optischen Beobachtung der Anström- und Abströmseite der Filter im Betrieb zeigt eine Wassersättigung des Filtermediums, während beim hydrophoben Filtermedium anströmseitige Drainage sowie einzelne austretende Tropfen auf der Abströmseite, die Hinweis für im Filtermedium auftretende Kanäle sind, zu sehen sind. Das hydrophobe Filtermedium enthält nach Wasserbeaufschlagung kein Salz mehr, weil der Großteil des Salzes in der anströmseitigen Drainageflüssigkeit abfließt. Die Salzmenge, die beim hydrophoben und hydrophilen Filter auf die Reingasseite penetriert, ist bei gleicher Drainagedauer, massenmäßig ähnlich. Penetration auf die Reingasseite des Filters von Flüssigkeit tritt beim hydrophoben Filter nur auf, wenn der Filter mit löslichen oder teilweise mit löslichen Partikeln beladen ist. Die Untersuchung dreilagiger, hydrophiler Tiefenfilter durch Beladung mit Kaliumsulfat, Wasserbeaufschlagung und Trocknung analog den Untersuchungen mit Oberflächenfiltern bei Medientypischen Anströmgeschwindigkeiten von 25 cm/s hat ergeben, dass es auch bei Tiefenfiltern durch Kontakt mit Wassertropfen, die darauffolgende Wechselwirkung mit Salz und Lösung des Salzes zur Penetration von Lösung kommt und die auftretende abströmseitige Drainage nachweislich Salz enthält. Mit Beginn der Beaufschlagung salzbeladener Tiefenfilter zeigt sich, wie auch bei beladenen Oberflächenfiltern, ein Abfall im Differenzdruckverlauf und ein langsamerer Anstieg bei anhaltender Wasserbeaufschlagung. Fotografische Aufnahmen der Abströmseite zeigen einen Wasserstand im unteren Bereich der grobporigen Filter schon vor Beginn der Drainage. Das ist ein Indiz für interne Drainage. Es kommt nicht zu einer Filmbildung. Die Bearbeitung des Forschungsprojektes hat den Nachweis der Penetration (in oder durch das Filtermedium) von abgeschiedenen, löslichen Partikeln durch Beaufschlagung mit Wassertropfen-Aerosol und die damit initiierten Mechanismen der Wechselwirkung zwischen löslichem Partikelmaterial und Tropfen, dem Lösungsvorgang, dem Transport der Lösung und der Kristallisation bzw. abströmseitigen Drainage erbracht. Ferner wurde grundlegende Kenntnisse gewonnen, wie weitere Folgen der Wechselwirkung zwischen Lösungstropfen und Partikeln in der Filtration, wie die Reduzierung des Fraktionsabscheidegrades beladener Filter und Flüssigkeits-Drainage auf der Anström- und Abströmseite von Filtern in Abhängigkeit der Benetzbarkeit des Filtermediums.

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