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Regenerierbare Filter

Regenerierbare Filter werden bei der Abscheidung von Feststoffpartikeln aus Gasen eingesetzt, wenn in hohen Konzentrationen staubbeladene Abluft gereinigt werden sollen. Die Reinigungswirkung beruht auf der sogenannten Oberflächenfiltration. Dabei erfolgt die Abscheidung der Partikel hauptsächlich an der Oberfläche der Filtermedien an der sich ausbildenden Partikelschicht (Staubkuchen). Nach Erreichen eines vorgegebenen Druckverlusts oder in fest definierten Intervallen werden die Filtermedien abgereinigt, so dass der Filtrationsprozess bei niedrigen Druckverlusten fortgesetzt werden kann. Der abgeschiedene Staub kann zurückgewonnen oder entsorgt werden.

Die Bauformen von regenerierbaren Filtern unterscheiden sich in der geometrischen Anordnung der Filtermedien, der Gasführung und der Abreinigungsart.

Eine weitere Unterteilung filternder Abscheider erfolgt nach Art und Konfektionierung des Filtermaterials. Bezüglich der Art der Filtermedien wird zwischen SchlauchfilterTaschenfilterPatronenfilterLamellenfilter und Kassettenfilter unterschieden.

regenerierbare Filter
AbreinigungRütteln, Rückspülung oder Druckluftstoß
Typische Parameter:Reststaubkonzentration0,001 bis 20 mg/m³ (HEPA-Qualität < 0,001 mg/m³)
Partikelgrößenverteilung< 0,1 bis 100 µm
Temperatur-40 bis +260 °C
FiltermedienKunstfaser-Nadelfilze, Kunstfaser-Spinnvliese,  (Spunbound-Vlies), PTFE-Membranen, papierartige Vliese, Sinterkunststoffe, Sintermetalle, Metallvliese
Typische KenngrößenFlächengewicht150 - >700 g/m³
Filterflächenbelastung30 - 180 m³/m²/h
Differenzdruck bei Inbetriebnahme200 - 500 Pa*
Differenzdruck im Betrieb
500 - 1.500 Pa*
GeometrieSchlauchfilter, Taschenfilter, Patronenfilter, Lamellenfilter, Kassettenfilter, Starrkörperfilter

*Bei Sinterfilterelementen fabrikatsabhängig, z. T. deutlich höher

Geometrie von Schlauchfilter, Taschenfilter, Patronenfilter, Lamellenfilter und Kassettenfilter

  • Bei Schlauchfiltern ist das Filterelement in der Regel ein zylindrischer Schlauch. Die Filterschläuche werden in unterschiedlichen Durchmessern und Längen hergestellt. Sie decken das komplette Größenordnungsspektrum von < 0,5 m² bis zu > 100.000 m² Filterfläche ab. Schlauchfilter werden zur Filtration von Abluft bei niedrigeren und mittleren Temperaturen bis ca 260 °C eingesetzt. Das Schlauchfiltermedium hält bei der Durchströmung den Staub zurück. Die Filterschläuche werden regelmäßig - meist durch Druckluftimpulse - abgereinigt. Hierbei wird der Abreinigungseffekt des Druckluftimpulses zusätzlich durch das schlagartige Aufblähen des Filterschlauches verstärkt. Schlauchfilter eignen sich deshalb auch für klebrige, bzw. stark adhäsive Stäube.
  • Taschenfilter werden zur Entstaubung kleinerer Gasmengen eingesetzt. Die Einsatztemperaturen entsprechen einem Schlauchfilter. Das Filtermedium wird über ebene, plattenförmige Rahmen gespannt, die an einer Seite für den Reingasaustritt geöffnet sind. Die Durchströmung erfolgt von außen nach innen. Die Filtertaschen werden regelmäßig - meist durch Druckluftimpulse - abgereinigt. Hierbei wird der Abreinigungseffekt des Druckluftimpulses zusätzlich durch das schlagartige Aufblähen der Filtertasche verstärkt. Dieser Effekt ist beim Taschenfilter nur minimal geringer als beim Schlauchfilter. Deshalb eignen sich auch Taschenfilter für klebrige, bzw. stark adhäsive Stäube.
  • Patronenfilter Patronenfilter sind eine immer öfter eingesetzte Alternative zu Schlauchfiltern. Das Filtermedium wird sternförmig gefaltet und auf einen zylindrischen Stützkörper aufgebracht. Die Durchströmung erfolgt von außen nach innen, die Abreinigung per Druckstoß (Jet-Puls) oder Niederdruckspülung. Patronenfilter werden nur bei leicht abzureinigenden Stäuben eingesetzt, da andernfalls ein Verstopfen der Falten mit Staub möglich ist. Der Temperaturbereich ist begrenzt auf ca. 200 °C.
  • Lamellenfilter sind eine Alternative zu Taschenfiltern. Zwei gefaltete Filtermedien werden aufeinander gelegt und an ihren Kontaktstellen miteinander verklebt oder verschweißt. Die Durchströmung erfolgt von außen nach innen, die Abreinigung per Druckstoß (Jet-Puls) oder Niederdruckspülung. Lamellenfilter werden wie beim Patronen nur bei leicht abzureinigenden Stäuben eingesetzt, da andernfalls ein Verstopfen der Falten mit Staub möglich ist. Durch die größere Filterfläche als bei Filtertaschen können die Filtergehäuse kleiner und dadurch günstiger gebaut werden. Die Einsatztemperaturen liegen bei max. 130°C.
  • Bei Kassettenfiltern  („HEPA-Filter“) tritt das staubbeladene Gas meist im unteren Teil in die Rohgaskammer des Filtergehäuses ein und durchströmt zunächst die erste Filterstufe. Dabei wird der mitgeführte Feinstaub in den Faltungen der Filterkassette außen abgeschieden. Die Abreinigung der Filterkassette erfolgt pneumatisch. Ein Düsenrohr fährt über die gesamte Breite und Länge der Filterkassette langsam vor und wieder zurück. Die kontinuierlich ausströmende Druckluft bläst die Filterkassette nach unten hin aus und befreit die Filterelemente vom Staub. Der Einsatz beschränkt sich auf geringere Staubkonzentrationen (< 1,0 g/m³) und leicht abreinigbare Stäube. Das gereinigte Gas aus der ersten Filterstufe kann optional eine zweite, nicht abgereinigte Filterstufe durchströmen (Sicherheitsfilter, Polizeifilter). Der Temperaturbereich ist max. 180 °C. 
  • Starrkörperfilter bestehen meistens aus einem sehr luftdurchlässigen gesintertem Kunststoffgerüst, auf dem häufig eine PTFE-Membrane auflaminiert ist. Die Staubabscheidung erfolgt dann nur an der Membrane. Der darunter liegende selbsttragende Starrkörper hat dann keine filternde Funktion. Einerseits kann die antiadhäsive PTFE-Membrane auch bei klebrigen Stäuben eingesetzt werden, andererseits fehlt den Starrkörperelementen trotz Jet-Puls ein Aufblähen und damit eine kinetische Unterstützung des Abblasvorgangs.

Funktionsweise filternde Abscheider

Das partikelbeladene Gas durchströmt die Filterelemente in aller Regel von außen nach innen. Durch den Gasstrom setzen sich die festen Partikel außen auf den Filtermedien ab. Dabei baut sich eine Staubschicht - der sogenannte Filterkuchen - auf.

Periodisch müssen die Filtermedien abgereinigt werden. Beim Abreinigen wird durch kurze Druckluftimpulse bzw. mechanische Rüttelbewegungen oder Rückspülen mit Luft der Staubkuchen wieder abgelöst. Die Staubschicht fällt nach unten z. B. in einen Auffangtrichter, der regelmäßig entleert wird, oder in ein weiterführendes Staubaustragssystem.

Betriebsverhalten filternde Abscheider

Das Betriebsverhalten einer Filteranlage hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, die bei der Auslegung eines Entstaubers zu berücksichtigen sind und einen maßgeblichen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems haben.

Primäre Einflussgrößen:

  • Chemische und physikalische Eigenschaften des Trägergases: korrosiv, trocken / Taupunkt
  • Chemische und physikalische Eigenschaften der Partikel: Patrikelgrößenverteilung, Dichte, Partikelform, Abrasivität, agglomerierend, faserig, hygroskopisch, klebrig, korrosiv, flüssige Aerosole vorhanden…
  • Physikalische Eigenschaften des abgeschiedenen Staubs: Schüttdichte, Brückenbildend, Rieselfähig, Schüttwinkel…
  • Prozessparameter: Volumenstrom, Rohgasstaubkonzentration, Betriebsdruck, Temperatur…
  • Betriebsweise der Anlage: Kontinuierlich, diskontinuierlich
  • Aufstellort abhängige Notwendigkeiten: Maximalabmessungen Länge, Breite, Höhe (Inkl. Filterwechselfreiraum)
  • Explosions- und brandtechnische Kenngrößen von Trägergas und Partikeln

Sekundäre Einflussgrößen:

  • Sicherheitstechnischen Rahmenbedingen: Explosionsschutzkonzept, erforderlicher Reingaswert, Staubexposition der Mitarbeiter bei Servicearbeiten (Staubfreisetzung bei Filterwechsel und Behälterwechsel), Entsorgungsweg des Filtrats
  • Produktionsspezifische Besonderheiten: Waschbarkeit (bis hin zu CIP), FDA-Eignung, Lebensmitteleignung, Dekontaminierbarkeit, u.a.m.
  • Wirtschaftliche Gesichtspunkte: 24h Betrieb, Onlinefilterwechsel, Servicefreundlichkeit, Kostenbetrachtung über die Anlagenlebensdauer 

 

Die primären und sekundären Einflussgrößen stellen die Rahmenbedingungen für die Auslegung einer Filteranlage dar und bilden die Grundlage für die folgenden verfahrenstechnischen Filteranlagen(konstruktions)merkmale:

Art und Gestaltung der Filterelemente:

  • Filterkonfektion und Filtergeometrie: Schlauch, Tasche, Patrone, Starrkörper, Lamelle, Kassette, etc.
  • Filtermedium: Polyester, Polypropylen, PTFE und viele mehr

Aufbau der Anlage:

  • Filterflächenbelastung
  • Anlagengeometrie: rechteckig, rund
  • Rohgasführung: horizontal, vertikal bzw. axial, tangential, Vorabscheidesystem, Downflow-Prinzip, Auftriebsgeschwindigkeit
  • Abreinigungsprinzip: Jet-Pulse, Rückspülen, Rütteln
  • Ausführung des Staubaustrags: Austragshilfe, Trichterneigung
  • Art des Filterwechsels: rohgasseitig, reingasseitig, horizontal, vertikal, staubarm, Safe Change, Benetzung

Neben den primären - hauptsächlich verfahrenstechnischen - Einflussgrößen gewinnen die sicherheitstechnischen Rahmenbedingen und produktionsspezifische Besonderheiten zunehmend an Bedeutung.

Konstruktive Ausführung von Filtrationsabscheidern

Filtrationsabscheider bestehen als Stand-Alone-Einheiten grundsätzlich aus:

  • Filterkopf mit Regenerierungseinrichtung (in der Regel Druckluftabreinigung)
  • Zwischenboden zur Aufnahme der Filterelemente
  • Filterelementen
  • Gehäuse
  • Staubsammelraum
  • Staubaustrag in unterschiedlichen Ausführungen
  • Zusatzkomponenten, z. B. Abreinigungssteuerung, Austragsorgane, Ventilator

Typische Auslegungsparameter für Filter mit mechanischer Abreinigung, Rückspülabreinigung und Jet-Pulse Abreinigung

Gewebefilter mechanische AbreinigungKassettenfilter
Rückspülabreinigung (1)
Filter
Jet-Pulse Abreinigung
Gasvolumenstrom> 500 m³/h300 bis 30.000 m³/h100 bis > 2.000.000 m³/h
Betriebsdruckatmosphärisch, Überdruck/Unterdruckatmosphärisch, Überdruck/Unterdruckatmosphärisch, Überdruck/Unterdruck
Filterfläche> 5 m²10 bis 300 m²0,5 bis > 20.000 m²
Filterflächenbelastung0,7 bis 1,5 m³/m² min0,5 bis 1,7 m³/m² min0,5 bis 3 m³/m² min
Staubbeladung0,5 bis 500 g/m³< 1 g/m³0,5 bis 500 g/m³
AbreinigungRütteln/Klopfen, geringer Energieeintrag in das Filtermedium, nur offlineUmkehrung Gasstrom, mittlerer Energieeintrag in das Filtermedium, offlineDruckstoß, hoher Energieeintrag in das Filtermedium, online oder offline
FiltermaterialienGewebeMikroglasfaservlies oder Vlies mit PTFE-MembranNadelfilze, Vliese, Sinterkunststoff

(1) Infastaub setzt die Rückspülabreinigung nur für abreinigbare Kassettenfilter des Typs MKR ein, worauf sich o. g. Zahlen beziehen. Spülluftfilter mit Filtertaschen bzw. sogenannten Flachschläuchen diverser Hersteller können Volumenströme bis 100.000 m³/h bei entsprechend großen Filterflächen bewältigen.

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei Filteranlagen

Beim Kauf einer Filteranlage stehen häufig nach der technischen Klärung verschiedenste Anlagenkonzepte zur Auswahl, die dann kommerziell verglichen werden. Hierbei ist eine stark vereinfachte Kostenbetrachtung bestehend aus Investitionskosten und zu erwartender Filterstandzeit aus heutiger Sicht nicht mehr zeitgemäß.
Diese sollte durch eine wirtschaftliche Betrachtung über die gesamte Anlagenlebensdauer hinweg ersetzt werden. Folgende Faktoren sollten hierbei mindesten berücksichtigt werden: 

  • Investitionskosten
  • Energiekosten
  • Ventilator
  • Energiekosten der Filterabreinigung (Druckluft bzw. Stickstoff o. ä. / Strom)
  • Kosten Filtermedien sowie allgemeine Ersatzteil- und Reparaturkosten über die Lebensdauer der Filteranlage (inkl. Montagekosten)
  • Produktionsausfallkosten bei Filterwechsel
  • Geschätzte Kosten für Demontage und u. U. Dekontaminierung

Auswahlhilfe für Bauarten von abreinigbaren Filteranlagen

Jede der auf dem Markt existierenden abreinigbaren Filterbauarten hat auf Grund seiner besonderen Eigenschaften seine Existenzberechtigung.

Die folgende Tabelle soll ausschließlich die besonderen Stärken und Schwächen der Bauformen deutlich hervorheben, um die optimale Lösung für ein Filterprojekt zu finden. Betrachtet werden nur einstufige Anlagen bis zu einem Volumenstrom von ca. 10.000 m³/h. Die dargestellten Bewertungen sind relativ zu den jeweiligen Vergleichsbauarten zu sehen, beginnend mit dem am besten geeigneten (+++). Parameter die bei allen Anlagentypen nur sehr geringe Abweichungen haben, fließen nicht in diese Übersicht ein.

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