Patroonfilters voor stof: ontwerp, materialen, filtergrootteberekening

Bij het ontstoffen van een gasstroom kunnen patroonfilters sterke voordelen bieden ten opzichte van conventionele zakkenfilters, met name wat betreft het filtratieoppervlak in een gereduceerd volume. Deze pagina helpt u begrijpen hoe patroonfilters zijn opgebouwd en hoe u een filtratiesysteem met patroonfilters kunt dimensioneren.

1. Patroonfilters: ontwerp

Wat is een patroonfilter?

In tegenstelling tot zakkenfilters, die de vorm hebben van een flexibele doek en op een kooi zijn gemonteerd om hun vorm te behouden, hebben patroonfilters de vorm van starre, geplooide patronen. Het filtermedium is in plooivorm aangebracht, waardoor een groter filtratieoppervlak mogelijk is dan bij zakkenfilters binnen hetzelfde volume.

Wat is het verschil tussen patroonfilters en zakkenfilters?

Patroonfilters hebben de volgende voor- en nadelen ten opzichte van zakkenfilters:

Voordelen van patroonfilters t.o.v. zakkenfilters:

• Groter filtratieoppervlak binnen hetzelfde volume, waardoor een kleinere stofafscheider mogelijk is
• Eenvoudige montage en demontage van de patronen, tijdwinst bij onderhoud
• Betere filtratie-efficiëntie
• Langere levensduur bij correct gebruik

Nadelen van patroonfilters t.o.v. zakkenfilters:

• Hogere eenheidskosten
• Risico op verstopping tussen de plooien bij kleverige materialen

De patronen zijn hol, waardoor lucht door het filtermedium kan stromen, maar dit helpt ook bij het reinigen van het patroon door perslucht in het filterlichaam te sturen. De eindkap van het patroon is echter niet gemaakt van filtermateriaal en vormt daarom een "verloren" oppervlak, zowel voor filtratie als voor reinigingsefficiëntie, aangezien de reinigingslucht er niet doorheen kan gaan.

Recente ontwerpen hebben echter een interne kegel geïntroduceerd die de eindkap vervangt, met als dubbel voordeel dat het filtratieoppervlak wordt vergroot en de reinigingsefficiëntie van de luchtpuls wordt verbeterd.

2. Patroonfiltermaterialen

Hoeveel soorten patroonfilters zijn er?

De volgende materialen worden veel gebruikt voor patroonfilters:

• Cellulosemengsels
• Spunbond polyester

Cellulosemengsels (cellulose + polyester) zijn de eenvoudigste en minst dure materialen, maar bieden relatief lage prestaties in vergelijking met polyester, dat over het algemeen beter presteert en het basismateriaal vormt voor deze patronen. Spunbond polyester biedt betere filtratie, een lagere drukval, reinigt gemakkelijker met een pulse-jet-systeem en is duurzamer.

Deze twee media bieden filtratie door het stof diep in het materiaal te laten doordringen, wat een hoge drukval veroorzaakt.

De basismatrix van polyester kan verder worden verbeterd door een laag speciaal materiaal aan te brengen, waardoor stof aan het oppervlak blijft en diepe penetratie in het materiaal wordt voorkomen:

• Nanovezels: een zeer dunne laag (<1 micron) van nanovezels (<0,3 micron) wordt op het dragermateriaal aangebracht. Dit voorkomt dat fijn stof diep in het patroon doordringt en het verstopt. Hierdoor wordt ook het reinigen van het filter vergemakkelijkt.

• Meltblown laminering: een thermoplast wordt gesmolten en op het dragermateriaal geblazen. Dit verbetert de filtratie-efficiëntie, maar sommige stofdeeltjes kunnen diep in de meltblown-laag doordringen, wat reiniging moeilijker kan maken.

• ePTFE: een PTFE-membraan kan eenvoudig op het oppervlak van patronen worden aangebracht. Het membraan verbetert de filtratie-efficiëntie en vermindert de hechting van deeltjes, waardoor een efficiëntere reiniging mogelijk is. De prestaties zijn vergelijkbaar met nanovezels, maar kunnen een hogere efficiëntie bereiken, waardoor ook de kosten hoger zijn dan bij nanovezelbehandelingen.

Bij het selecteren van een patroonfilter moet ook de dichtheid van de plooien in overweging worden genomen. Hoewel het verleidelijk is om het aantal plooien te verhogen om het filtratieoppervlak te vergroten, kan dit leiden tot problemen, aangezien stof zich gemakkelijker tussen de plooien ophoopt, wat het effectieve filtratieoppervlak aanzienlijk vermindert. Er moet een balans worden gevonden, die sterk afhankelijk is van het te verwerken materiaal.

Bovendien is het, bij een hoge plooidichtheid, interessant om ontwerpen met afstandhouders te overwegen, die voorkomen dat de plooien elkaar raken en de tussenruimte sluiten. Deze afstandhouders kunnen extern of intern in het patroon zijn aangebracht.

Andere opties, zoals vlamvertragende filtermedia, zijn ook beschikbaar.

3. Patroonfilters: berekening benodigd filtratieoppervlak en filterdimensionering

Dimensionering van patroonfilters: hoe dimensioneren we een patroonfiltersysteem?

Bij het ontwerpen van een stofafscheider met patroonfilters moeten de volgende ontwerp- en dimensioneringscriteria worden bestudeerd: lucht-doekverhouding (filtratiesnelheid), interstitiële snelheid en 'can velocity' (kamerinlaatsnelheid).

3.1 Lucht-doekverhouding voor patroonfilters

De lucht-doekverhouding is eigenlijk vergelijkbaar met de filtratiesnelheid, die wordt berekend door de volumetrische luchtstroom aan de inlaat van de stofafscheider te delen door het totale geïnstalleerde filtratieoppervlak.

Lucht_Doek_Verhouding = Q_{_lucht}/ S_{_filter_effectief}

met:

Q_{_lucht} = totale luchtstroom aan de inlaat van het zakkenfilter (m³/s)
S_{_filter_effectief} = daadwerkelijk beschikbaar filteroppervlak (m²)

In de VS wordt dezelfde berekening uitgevoerd, maar met cfm en ft²,² wat resulteert in een lucht-doekverhouding in ft/min. Het is belangrijk om te weten in welke eenheden de verhouding wordt uitgedrukt, aangezien de waarden hiervan afhankelijk zijn.

Voor zakkenfilters vermeldt de literatuur filtratiesnelheden tot 0,06-0,07 m/s, maar bij patroonfilters liggen de filtratiesnelheden doorgaans lager, rond 0,025 m/s, soms zelfs drie keer lager dan bij zakkenfilters. 0,025 m/s is een goede eerste benadering, maar nauwkeurigere waarden kunnen worden verkregen uit gegevens van fabrikanten.

Voorbeeld: een patroonfilterfabrikant verstrekt de volgende gegevens:

De fabrikant geeft een permeabiliteit van 150 m^³/m^²/h, wat overeenkomt met een filtratiesnelheid of lucht-doekverhouding van 150 m/h = 0,0416 m/s, wat iets hoger is dan de hierboven genoemde waarde.

De lucht-mediaverhouding is het meest besproken ontwerpcriterium voor filters. Voor pulse-jet-systemen, waarbij de patronen verticaal zijn gemonteerd en de inlaat van stofbeladen lucht zich onder de patronen bevindt, mag de luchtstroomsnelheid onder en tussen de filters niet worden verwaarloosd. Als deze te hoog is, zal dit voorkomen dat het stof dat tijdens een luchtpuls van de filters wordt verwijderd, naar beneden valt. De opwaarts gerichte luchtstroom zal het poeder onmiddellijk opnieuw meenemen, waardoor de pulse-jet-reiniging ineffectief wordt.

3.2 'Can velocity' (kamerinlaatsnelheid)

De 'can velocity' wordt gedefinieerd als de volumetrische luchtstroom gedeeld door het dwarsdoorsnede-oppervlak van de filtratiekamer.

Kanaal_Snelheid = Q_lucht/S_kamer

Met:

Q_lucht = totale luchtstroom aan de inlaat van de filterinstallatie (m^³/s)
S_kamer = dwarsdoorsnede-oppervlak van de filterkamer (m^²)

3.3 Interstitiële snelheid

De interstitiële snelheid is de snelheid *tussen* de filters, wat betekent dat deze gedefinieerd wordt door de volumetrische luchtstroom gedeeld door (het dwarsdoorsnede-oppervlak van de kamer - de som van de dwarsdoorsnede-oppervlakken van de filters)

Interstitiële_Snelheid = Q_lucht/(S_kamer-S_{sectie_filters})

Met:

Q_lucht = totale luchtstroom aan de inlaat van de filterinstallatie (m^³/s)
S_kamer = dwarsdoorsnede-oppervlak van de filterkamer (m^²)
Ssectie_filters = som van de dwarsdoorsnede-oppervlakken van de filters

3.4 Een aanvullend criterium

[Kenchin] stelt in een artikel een aanvullend criterium voor patroonfilters voor: de **omtrekluchtstroomsnelheid**. De filtratiesnelheid (lucht-doek-verhouding) wordt immers berekend op het *totaal* filteroppervlak van de patronen, inclusief alle plooien. Echter, de "omhullende" mantel van het filter heeft een *veel kleiner* oppervlak dan wanneer de plooi-oppervlakken worden meegenomen, wat betekent dat de lucht die het patroon nadert, een *aanzienlijk hogere* snelheid heeft. Voor bepaalde stofsoorten kan deze **omtrekluchtstroomsnelheid** te hoog zijn om neerslag op het filter toe te staan, wat een efficiënte reiniging verhindert.

Omtrek_Snelheid = Q_lucht/[n_patroon*(S_omtrek)]

Met:

Q_lucht = totale luchtstroom aan de inlaat van de filterinstallatie (m^³/s)
n_patroon = aantal patronen in de filterkamer
Somtrek = oppervlak van de omhullende mantel van het patroonfilter (m^²)

Bron

[Kenchin] "Ontwerp van een patroonstofafscheider voor betere filterreiniging en betrouwbare prestaties", Kenchin, PBE
Copyright www.PowderProcess.net