DE2509953A1

DE2509953A1 - Anlage zur filterung fester aerosole

Info

Publication number: DE2509953A1
Application number: DE19752509953
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl Phys Boehm; Siegfried Dipl Phys Jordan; Wolfgang Dipl Phys Schikarski
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1975-03-07
Filing date: 1975-03-07
Publication date: 1976-09-23
Also published as: FR2302770A1; FR2302770B1; GB1533619A; JPS51113256A; JPS5755521U

Description

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 24. Februar 1975

KERNFORSCHUNG MBH PLA 7505 Ga/sz

Anlage zur Filterung fester Aerosole

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Filterung fester Aerosole mittels eines Sandbettes, welches in einem Filtergehäuse angeordnet ist.

Die Filterung von Aerosolen mit Hilfe von Sandbettfiltern ist bekannt (R.A. Juvinall, R.W. Kessie, M.J. Stenidler, ANL-7633). Sie wurde und wird besonders dann eingesetzt, wenn aus lufthygienischen Gründen chemisch aggressive Aerosole abgeschieden werden müssen. Dies ist z.B. der Fall bei Störfällen an natriumgekühlten Reaktoren, wo damit zu rechnen ist, daß größere Mengen heißen Natriums austreten können und diese in Gegenwart von Sauerstoff zu Natriumoxid-Aerosolen verbrennen. Diese Aerosole müssen dann möglichst umfassend durch Filterung beseitigt werden. Zu diesem Zweck werden leistungsfähige Sandbettfilter benötigt.

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Es sind jedoch keine Sandbettfilter bekannt, die sowohl einen
hohen Abscheidegrad als auch eine hohe Beladbarkeit insbesondere
für chemisch aggressive Aerosole aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Anlage zu
schaffen, die nicht nur einen guten Druck-und Temperaturnuffer
bildet, sondern auch hervorragende Filtereigenschaften zeigt,
insbesondere sehr gute Abscheidegrade (besser als Faserfilter der Sonderstufe S) und gute spezifische Beladbarkeiten.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht erfindungsgemäß darin, daß
das Sandbett in Strömungsrichtung in einzelne Schichten aufgeteilt ist und daß sich der Kornradius des Sandes von Schicht zu
Schicht in Strömungsrichtung verkleinert.

Da experimentelle Untersuchungen gezeigt haben, daß zwei Anströmungsgeschwindigkeitsbereiche der Aerosole auf die Filter besonders zu beachten sind, wurde als eine Weiterbildung der Erfindung eine Anlage geschaffen, bei der bei Anströmgeschwindigkeiten von 2 bis 5 cm/sec die oberste Schicht als Grobfilter zur Aufnahme des
Filterkuchens ausgebildet ist. Als Folge davon, abhängig jedoch
von Korngröße des Filtermaterials und den Aerosolkenngrößen, kann dann als vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung auf eine
oder mehrere der nachfolgenden Schichten verzichtet werden, wobei aber darauf geachtet werden muß, daß die Sandkorngröße dennoch
von Schicht zu Schicht, in Strömungsrichtung gesehen, stetig oder zumindest quasistetig, abnimmt.

Ähnliches gilt bei Anströmungsgeschwindigkexten von 0-2 cm/sec, bei denen es als besonders vorteilhaft angesehen werden kann, daß aufgrund der höheren Durchlässigkeit der obersten Schicht erfindungsgemäß eine oder mehrere weitere Schichten in Strömungsrichtung eingefügt werden, wobei wieder auf die stetige bzw. quasistetige Abnahme der Korngröße bzw. des Sandkorndurchmessers geachtet werden muß.

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si

Die besonderen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß je nach Schichtungsfolge und Material ein Abscheidegrad q = 99,97

2 erreicht wird. Die Beladbarkeit liegt bei mindestens 300 g/m Anströmfläche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Figuren'1 bis 3 und der Tabellen 1 und 2 näher erläutert.

Als Ausführungsbeispiele wurden zwei charakteristische Sandbettschüttungen ausgesucht, die sich aus vielen Einzelversuchen als die zweckmäßigsten ergaben. Die eine Schüttung I ist eine relativ offene Struktur für Gasgeschwindigkeiten von 2-5 cm/sec und die andere Schüttung II ist verhältnismäßig dicht gepackt und eignet sich für Gasgeschwindigkeiten von 0-2 cm/sec. Hierbei wurde das Sandbett 1 (siehe Figur 1) in einem rechteckigen Gehäuse 2 angeordnet. Die Strömungsrichtung erfolgt von oben und ist durch den Pfeil 9 gekennzeichnet. Die einzelnen Schichten (es können beliebig viele sein) sind mit 1a,b, 2a ,b, 2c und 3 bezeichnet. Das Gehäuse weist an seinem unteren Ende 4 einen Abgangsstutzen 5 auf, durch den das gefilterte Gas (siehe Pfeilrichtung 6) abgeführt wird. Die Stützschicht 3 ist möglichst grobkörnig bzw. durchlässig und liegt auf dem Sieb 7 auf. Unterhalb des Siebes 7 und des Bodens 4 ist ein Zwischenraum 8 gebildet, der als Sammelraum für die Gase dient. Die oberste Schicht 1a ergibt sich durch eine optimale Abschätzung zwischen Durchlässigkeit und Beladbarkeit. Sie dient als Grobfilter zur Aufnahme des Filterkuchens (ca. 90 % und mehr der ankommenden Aerosole) bei Anströmgeschwindigkeiten von mehr als 2 cm/sec.

Es wurden der Druckanstieg am Sandbettfilter 1 während der Beladung als Funktion der spezifischen Beladung B und die gesamte, integrale Filterdurchlässigkeit P„_öO als Funktion der Anströmge-

CJ6S

schwindigkeit ν des Gases gemessen. Das Ergebnis der Messungen

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ist in Figur 2 dargestellt. Es ist aufgetragen der Druckanstieg 4 ρ in nun BS am Sandbettfilter 1 als Funktion der spezifischen

Beladung B in g/m für drei Anströmgeschwindigkeiten ν von s ο

0,88 , 2,2 und 4,4 cm/sec. Es ist ein stetiger Anstieg der Kurven K- bis K. mit der spezifischen Beladung B zu erkennen. Die spezifische Beladung B ist etwa linear proportional zur Zeit, so daß der Druckanstieg Δ ρ aufgetragen über der Zeit qualitativ den gleichen Verlauf wie in Figur 2 zeigt. Die zwei Kurven K₁ und K~ für ν gleich 0,88 cm/sec entsprechen Untersuchungen bei den noch zu beschreibenden Schüttungen I und II.

Für die modellmäßige Deutung des Kurvenverlaufs der Kurven K₁ bis K. in der Figur 2 wird von Beobachtungen ausgegangen. Es wird angenommen, daß die Strömungsverhältnisse von Sandbettfiltern im laminaren Strömungsbereich sehr gut durch das Hagen-Poiseuille'sche Gesetz beschrieben werden können. Das Hagen-Poiseuille'sche Gesetz für U_v etwa gleich lange und gleich dicke Kapillaren hat die Form gemäß der Formel 1

80 η L V
P = Jf (^mm WS) (D

N E T

K ^fe Kap

Hierbei ist η die Zähigkeit des Luft-Aerosolgeraisches , L die Länge der Kapillaren, V der Durchfluß = V = F v_o, F die Filteranströmfläche, N die Zahl der Kapillaren über dem Querschnitt F,

ί ti
g die Erdbeschleunigung und *_Kap der zeitlich veränderliche Kapillarenradius.

Durch die Aerosolbeladung ändert sich der Kapillarenradius r_R ^l mit der Zeit. Unter Beachtung der Abscheidemechanismen, wie Diffusion und Impaktion in einer gebogenen Kapillaren, wird gezeigt, daß der zeitveränderliche Kapillarenradius in etwa dem Zeitgesetz gemäß der Formel (2) folgt

hü 9HIiH/IU 1 5

ΤΓ>

Somit wird für Formel (1) schließlich die Formel (3)

P - Ce^Bt

erhalten. Hierbei ist C eine Konstante und B die Verstopfungskonstante.

Ein weiteres Ergebnis dieser Modellbetrachtung ist, daß die Größe B (Verstopfungskonstante) in Formel 2 und 3 quadratisch mit der Anströmgeschwindigkeit ν ansteigt. In Figur 3 sind die experimentell ermittelten B-Werte aufgetragen als Kurve K- über der Anströmgeschwindigkeit ν . Die Größe B wird darin mit dem Faktor 1000 multipliziert und in der Dimension see angegeben. Durch die auf abfallende Aerosolkonzentration korrigierten B-Werte ist eine Parabel als Kurve K_ß mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate eingezeichnet. Daraus ist ersichtlich, daß tatsächlich annähernd eine quadratische Abhängigkeit von B über ν besteht. Die gemessenen B-Werte setzen sich aus einem Term B₁ und einem Term B₀ zusammen. Ersterer ist unabhängig von ν , scheint also dem Abscheidemechanismus der Interzeption (Haftenbleiben der Teilchen an den Sandkörnchen) äquivalent zu sein, da dieser geschwindigkeitsunabhängig ist, der zweite Term B nimmt jedoch ähnlich dem Abscheidemechanismus der Impaktion (Trägheitsabscheidung) mit der Anströmgeschwindigkeit ν zu.

Da die Messungen bei Reynoldszahlen von etwa 1 bis 10 vorgenommen wurden, versagen praktisch alle bekannten Filtertheorien. Diese gelten nur für Re-Zahlen N_R < 1,0, also im viskosen Fluß-

B 0 9 8 3 9 / U k 1 5

gebiet oder für Re-Zahlen N_R j> 150, also im potentiellen Flußgebiet aber nicht in dem Zwischenbereich, in dem die vorliegenden Experimente ausgeführt werden. Damit ist die Einführung des Kapil larmodells gerechtfertigt, welches voraussetzt, daß es sich um laminare Strömung in annähernd definierbaren Kapillaren handelt.

Als Ergebnis dieser Untersuchungen und Experimente wird erfindungsgemäß für die FiI-die Formel 4 gefunden.

dungsgemäß für die Filterdurchlässigkeit P einer Filterschicht

Cj w S

2 2

,KT-6-f 2 pa ^g 5 pa ^c coll pa^b pa O _x _

5 77*· r · ν ^y ν ^ ^c ητ_ΊΊ

pa ο ο ^l coil

wobei mit K die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur,

r der Aerosolpartikelradius, γ die Aerosolpartikeldichte, pa -* pa

£ die Porosität, r .... der Sandkollektorradius, L die Kapillarlänge, ν die Anströmgeschwindigkeit und 6,7<f = r ,./r < 10 ist. Die einzelnen Komponenten des Exponenten stellen dabei die Diffusionsabscheidung, die Sedimentationsabscheidung und die Impaktionsabscheidung dar. Die Formel 4 gilt streng genommen nur dann, wenn Trägheit und Diffusion bzw. Sedimentationsabscheidung unabhängig voneinander erfolgen. Andernfalls muß noch ein Wechselwirkungsterm berücksichtigt werden.

In der Tabelle 1 sind die Meßergebnisse für die Schüttungen I und II wiedergegeben.

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Schüttunp; T	1.1 Ibf	l^r:.O kg ?./■	la	100 kg 2/-Λ/11 1 : 3	P	'«Of. 1/ in	lOCC- ^Ί /: in	:.?-· ig""*	ZOCO 1 '-;:-.
2a	50 k-g 0.6/2	Ib	150 kg 2/5	fv]
2b	200 kg 0/0.6/0.6'2 1 : 3	2a	^r>0 kg 0.6/2			fco'·
2c		2b	200 kg 0/0.6/0.6/2 1 : 3	P	^OC X /"¹I η	-50 1 '-:.in
3	200 kg 2/5	2c	50 kg 0/0.6		«1,5-10--	7.?* IC"""	cfcO	τ.χ · *^r ~
Schüttung TT	3	200 kg 2/5		396	6CO

Oben in der Tabelle ist als Parameter der Durchfluß V für die Schüttung I mit 400, 1000, 1500 und 2000 l/min und für die Schüttung II mit 400, 550, 770 und 1000 l/min eingezeichnet. In beiden Teilen sind die Filterdurchlässigkeit P und die spezifische Beladbarkeit B_g wiedergegeben. Bei der Schüttung I entfällt die Schicht 2c. Hinter den einzelnen Schichten 1a, 1b, 2a, 2b, 2c und 3 steht jeweils die Menge Sand in kg pro 0,76 m² Filterquerschnitt der jeweiligen Schicht und das Maß für die Sandkorndurchmesser, also für die Schicht 1a und 1b 2 - 5 mm bzw. für die Schicht 2b eine Mischung von 1 : 3 für Sandkörnchendurchmesser von 0-0,6 mm und 0,6 - 2. mm. Ähnliches gilt für das Mischverhältnis der Schicht 1a bzw. 2b der Schüttung II, worin Körnchendurchmesser bis zu 11 mm Größe vorgesehen sind.

bü9839/u415

BAD ORIGINAL

Aus der Tabelle 1 ist zu entnehmen, daß die Filterdurchlässigkeit P der Schüttung II gegenüber der Schüttung I wesentlich durch die Schicht 2c verbessert wird. Die Beladbarkeiten B sind

etwa bei beiden Schüttungen gleich. Weiterhin erreicht B bei

etwa 1000 l/min ein Maximum. Die Durchlässigkeiten haben auch bei etwa 1000 l/min = 2,2 cm/see ein Maximum.

Schichtungsfolge Gewicht/Filterquerschnitt Schichthöhe Sandkorndurchresser

TJt, /

la	60 - 200	5 -	17	>2,9
Ib	I3O - 26O	10 -	20	2,9
2a	60 - I3O	4,5 -	9	1,52
2b	mind. 26o	mind.	16	>O,37
2c	mind. 60	mind.	3	0,37
VjJ	I30 - 400	10 -	30	2,9

Um ein leistungsfähiges Sandbettfilter zu erhalten, sollten die Schichten hinsichtlich des spezifischen Schüttungsgewichtes und der Schütthöhe innerhalb der in Tabelle 2 angegebenen Grenzen liegen. Der Sandkorndurchraesser ist dabei der Medianwert entsprechender log-Normalverteilung und die spezifische Schüttung ist der Quotient aus Gewicht zu Filterquerschnitt. Alle Messungen wurden bei einer relativen Feuchtigkeit von < 20 % aufgenommen.

U 9 B 3 U / ü A 1 5

Claims

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 24. Februar 1975

KERNFORSCHUNG M3H PLA 7505 Ga/sz

Patentansprüche :

J Anlage zur Filterung fester Aerosole mittels eines Sandbettes, welches in einem Filtergehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sandbett (1) in Strömungsrichtung (3, 6)
in einzelnen Schichten (1a - 3) aufgeteilt ist und daß sich
der Kornradius des Sandes von Schicht zu Schicht in Strömungsrichtung (3, 6) verkleinert.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Schicht (1a) als Grobfilter zur Aufnahme des Filterkuchens
ausgebildet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
oberste und die. nachfolgenden Schichten (1 - 2c) zur Aufnahme
des nicht vom Filterkuchen aufgenommenen Restanteils der Aerosole dienen und auf einer möglichst durchlässigen Stützschicht (3) aufliegen.

4. Anlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Schicht (1a) eine spezifische Schüttung

von 60 - 200 kg/m , eine Schichthöhe 5 - 17 cm und einen Sandkor ndurchmess er von als 2,9 mm aufweist.

5. Anlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (3) eine spezifische Schüt-

2
tung von 130 bis 400 kg/m , eine Schichthöhe von 10 - 30 cm

und einen Sandkorndurchmesser von 2,9 mm besitzt.

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6. Anlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, der obersten Schicht (1a) nachfolgenden Schichten (1b - 2c) bei Anströmgeschwindigkeiten des Sandbettes (1) von 0-2 cm/sec spezifische Schüttungen von 130 - 260, 60 - 130, mindestens 260 und mindestens

2
60 kg/m bei Schichthöhen von 10 - 20, 4,5 - 9, mindestens

16 und mindestens 3 cm und Sandkorndurchmessern von 2,9 , 1,52 , 0,37 und 0,37 mm besitzen.

7. Anlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden ausgenommen Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, der obersten Schicht (1a) nachfolgenden Schichten (1b - 2b) bei Anströmgeschwindigkeiten des Sandbettes (1) von 2-5 cm/sec spezifische Schüttungen von ¹30 - 260, 60 - 130 und mindestens

2
260 kg/m bei Schichthöhen von 10 - 20, 4,5 - 9 und mindestens 16 cm und Sandkorndurchmessern von 2,9 , 1,52 und 0,37 mm besitzen.

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