Auswahlkriterien für industrielle Luft- und Gasfilter

Installation im Innen- oder Außenbereich

Die Wahl des Standortes für die Anlagenkomponenten wie Vakuumpumpe, Gebläse oder Kompressor sowie des Filters beeinflusst entscheidend die Auswahl der Materialien für den Bau und die Korrosionsbeständigkeit der Anlage. Wird ein Filter etwa in einer aggressiven maritimen Umgebung im Freien aufgestellt, wäre eine Edelstahlvariante der Klassifikation 316L zu empfehlen.

Auch wenn der Filter Witterungseinflüssen wie Regen oder Schnee ausgesetzt ist, ist ein angemessener Schutz erforderlich, um ein Eindringen in den Filter und eine mögliche Umgehung des Geräts zu verhindern.

Die Umgebung spielt somit eine große Rolle bei der empfohlenen Konstruktion Ihrer Filter.

Die Qualität der Anslaugluft spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle, denn erschwerte Bedingungen führen zu verkürzten Wartungsintervallen. Anlagen und Filter, die in anspruchsvollen Umgebungen wie der Zementproduktion und im Bergbau eingesetzt werden, benötigen besonderen Schutz gegen diese Umstände.

Gas-/Luftdurchsatz

Die Durchflussrate des Gas- oder Luftstroms wirkt sich direkt auf die Größe und Leistung eines Filters aus. Die Anschlussgröße eines Filtergehäuses und die Oberfläche des innen verbauten Filterelements wird direkt durch den Volumenstrom bestimmt. Darüber hinaus wirkt sich die Strömung auf die Staubhaltekapazität und die Abscheideeffizienz des Filters aus.

Untersuchungen haben ergeben, dass bei zu hoher Durchflussrate die Staubspeicherkapazität und -effizienz leidet, daher ist der Volumenstrom eine wichtige Information für die Dimensionierung eines Filters.

Art und Eigenschaften der Verunreinigung

Je nach Art der Verschmutzung (Partikel, Flüssigkeit, Dampf) muss ein Filter unterschiedlich gebaut werden. Eine sorgfältige Analyse des Prozesses und der Betriebsbedingungen wie Druck, Vakuum und Temperatur ist entscheidend. Diese Faktoren beeinflussen die Auswahl der Filtermatten, Abscheidestufen, Strömungsdynamik und Konzeption des Filtergehäuses.

Zum Beispiel könnte es ausreichen, bei leichter Staubverschmutzung nur ein Polyester-Filterelement zu verwenden. Bei Problemen mit viel Flüssigkeitsanfall hingegen könnten mehrere Filtrationsstufen nötig sein, einschließlich eines Prallblechs, eines Demisters und eines Feinfilters. Es ist wichtig, alle vorliegenden Informationen über die Partikelgröße in µm, ihre physikalischen Eigenschaften und ihrer Konzentration in Betracht zu ziehen.

Eine ST SpinMeister-Kombination ist ideal für Vakuum-Niederhalteanwendungen in der Holzfräsindustrie und verwendet einen Vorabscheider, um die groben Holzstaubpartikel (85 % bei 15 µm) zu entfernen, wodurch die Lebensdauer des Inline-Feinfilters ST erheblich verlängert wird. Das Ergebnis sind längere Laufzeiten und weniger Wartungsunterbrechungen.

Ein Filter für groben Holzstaub von CNC-Frästischen ist beispielsweise anders konzipiert als ein Filter für feinen Siliziumstaub aus Halbleiter-PCVD-Prozessen.

Flüssigkeiten haben weitere spezifische Eigenschaften wie Korrosivität, Viskosität und Menge. Die Eigenschaften eines Dampfes variieren je nach Material (Chemikalie, Wasser, Harz usw.) und dem individuellen Siedepunkt unter bestimmten Druck- bzw. Vakuumbedingungen.

Kontinuierlicher oder vorübergehender Einsatz

Industrielle Prozessanlagen funktionieren immer häufiger im Dauerbetrieb, was zu einer gesteigerten Beanspruchung des Filters führt. Obwohl dieser kontinuierliche Durchfluss erwartet wird, stellt er durch ständige Verunreinigungen wie Partikel und Flüssigkeiten eine permanente Herausforderung dar.

Filter, die unter anspruchsvolleren Prozessbedingungen eingesetzt werden, müssen eine höhere Kapazität aufweisen, um das angestrebte Wartungsintervall und den erforderlichen Druckabfall zu gewährleisten.  Bei Verfahren, die in Chargen betrieben werden, wird der Filter nicht kontinuierlich genutzt. Trotzdem ist es wichtig, dass der Filter korrekt dimensioniert wird, damit er während des Betriebs effizient funktioniert.

Temperatur

Die Prozesstemperatur wirkt sich auf den Aggregatzustand der Kontamination aus. Zum Beispiel verdampfen Flüssigkeiten und umgehen somit herkömmliche Filter. Extreme Temperaturen beeinflussen auch die Konstruktionsmaterialien für einen Filter, auf die später noch näher eingegangen wird.

Dies ist besonders wichtig für die Komponenten der Filterelemente: Medien, Klebstoffe und Elastomere. Wenn die Betriebsbedingungen den erwarteten Temperaturbereich überschreiten, kann dies zu einer verkürzten Lebensdauer und Effizienz des Filters führen.

Betriebsdruck/Vakuum

Industrielle Luft- und Gasfilter werden für unterschiedliche Druckverhältnisse, von Vakuum bis zu Hochdruck, eingesetzt. Der Betriebsdruck bestimmt die Auswahl der Materialien und Designparameter des Filters, wie etwa Materialstärke, Schweißnormen und Versiegelungsqualität.  Das Zusammenspiel aus Betriebsdruck und Temperatur bestimmen außerdem den Aggregatzustand der Schadstoffe. Ein Filter ist erst dann richtig ausgelegt, wenn auch diese Prozessbedingungen und Anforderungen berücksichtig worden sind.

Spezifikationen und Normen für das Filterdesign

Die Designstandards und Spezifikationen unterscheiden sich abhängig von den Prozessanforderungen sowie dem Land oder der Region, in der die Ausrüstung installiert wird. Überdruck ist ein wesentlicher Aspekt im Konstruktionsprozess und abhängig vom Ort der Installation müssen einige Filter gemäß Standards wie ASME VIII oder der PED (Druckgeräterichtlinie) konstruiert werden. Sie unterliegen außerdem zerstörungsfreien Prüfungen (NDT), um die Dichtheit zu verifizieren. Weitere länderspezifische Vorschriften für Druckbehälter existieren ebenfalls, wie z. B. in China und Australien. Diese Vorgaben regulieren Aspekte wie Schweißarbeiten/Fertigung, Materialdicken und nichtdestruktive Prüfungen.

AATEX-zertifizierte Filter tragen dazu bei, das Explosionspotenzial in gefährlichen Arbeitsumgebungen zu minimieren.

Andere maßgebliche Bemessungsvorschriften hängen von der Prozesskontamination, der Umgebung und dem Installationsort ab. Dazu gehören auch behördliche und ökologische Anforderungen, wie z. B.:

• ATEX für potenziell brennbare Stäube und Gase.
• Anforderungen an den Explosionsschutz von elektrischen Bauteilen (Motoren, Messgeräte), die in klassifizierten Bereichen installiert sind.
• Branchenspezifikationen wie NFPA 99:2018 Health Care Facilities Code und ISO 7396-1:2016 Medical Gas Pipeline Systems regeln medizinische Vakuumsysteme.
• CE-Kennzeichnung zum Nachweis der Konformität mit EU-Normen.
• REACH- und RoHS-Deklarationen zur Bestätigung gefährlicher Materialien.

Materialauswahl

Industrielle Luft- und Gasfilter werden üblicherweise aus Stahl gefertigt; die verwendete Stahlsorte und das Endfinish richten sich jedoch nach den speziellen Anforderungen des jeweiligen Prozesses. Für normale industrielle Anwendungen reicht meist ein pulverlackierter Normalstahl aus.  Sollten allerdings aggressive Chemikalien oder Prozessgase zum Einsatz kommen, oder man sich in einer anspruchsvollen Umgebung (wie maritimer oder chemischer Umgebung) befinden, kann der Gebrauch von hochwertigem Edelstahl (316L) notwendig sein. 

Je nach Anforderungen des Prozesses und Umgebungsbedingungen könnten spezielle Beschichtungen erforderlich sein. Auf raue und aggressive Umwelteinflüsse zugeschnittene Lacke (Epoxydharz, Marine-Lack) oder Beschichtungen (Vernickelung, PTFE-Beschichtungen) sind mögliche Optionen. 

Die Anschlüsse eines Filters haben ebenfalls eine hohe Bedeutung. Flanschverbindungen (ANSI, DN, ISO-K) können notwendig sein, um die Kompatibilität mit Maschinenausrüstung oder existierenden Rohrleitungen zu gewährleisten. In Anwendungen mit Hochdruck sowie mittlerem bis hohem Vakuum benötigen einige Flansche eine besondere Oberfläche für eine optimale Abdichtung. Auch Gewindeverbindungen sind verbreitet und variieren je nach Norm und Ausrüstung zwischen metrischen (BSPP oder BSPT) und US-standardisierten (MPT oder FPT) Maßen. 

Da Baumaterialien maßgeblich die Kosten beeinflussen, ist es relevant, deren Notwendigkeit basierend auf Prozess- und Umwelterfordernissen abzuklären, bevor das Budget für ein Projekt festgelegt wird.

Leckrate für Vakuumfiltergehäuse

Der Filter der Solberg WL-Serie für den Vakuumbetrieb erhält einen abschließenden Prüfbericht für die Helium-Leckrate.

Ein Filter spielt eine entscheidende Rolle beim  Schutz einer Vakuumpumpe vor Kontaminationen. Zugleich muss er hermetisch dicht sein, um das erforderliche Vakuumniveau zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Wichtig ist bei der Auswahl eines Vakuumfilters die spezifizierte Leckrate (mbar L/s), die mithilfe eines kalibrierten Helium-Lecksuchgeräts verifiziert wurde.

Art und Effizienz des Filtermediums

Filterelemente werden je nach Umgebungs- oder Prozesskontamination und Betriebsbedingungen aus einer von vielen Medienoptionen hergestellt. Je nach Art und Größe der Partikelkontamination ist eine Vielzahl von Partikelgrößen (µm) und Wirkungsgraden verfügbar. Polyester, Papierfilter, PTFE, Glasfaser und Edelstahlgewebe sind gängige Optionen, und die Abscheideraten reichen von ultrahocheffizient (H14) bis grob. 

Der Gesamtwirkungsgrad ist eine Kombination aus Filtermedium und Anströmgeschwindigkeit. Die Staubhaltekapazität wird durch das Elementdesign (Oberfläche, Schichttiefe, gewickelt oder gefaltet) bestimmt. Zusätzlich zu festen Partikeln sind einige Medien für die chemische Adsorption ausgelegt, was Granulate und imprägnierte Medien erfordert.

Konstruktion und Abdichtung von Filterelementen

Die Prozessbedingungen bestimmen, ob zusätzliche Komponenten erforderlich sind. Zum Beispiel können das Vorhandensein von Chemikalien und hohe Temperaturen spezielle Vergussmassen erforderlich machen, um die strukturelle Integrität zu gewährleisten. Korrosive Umgebungen können Stützkomponenten aus Edelstahl 304 oder 316 erforderlich machen, wie z. B. Endkappen.

Es ist auch zu beachten, dass die Wirksamkeit eines Filters stark von der Qualität seiner Dichtung abhängt. Daher muss das Material der Dichtung mit den Prozessanforderungen und der Art der Verunreinigung übereinstimmen. Viton, PTFE und BUNA zählen zu den verbreiteten Arten von Dichtungen, die je nach Bedingungen zum Einsatz kommen.

Sicherheit
Prozessverunreinigungen können von Natur aus korrosiv, pyrophor oder explosiv sein, daher müssen Handhabung und Wartung durch den Betreiber im Voraus in Betracht gezogen werden. Explosionsgeschützte Ausführungen, wie z. B. ATEX, sind optional erhältlich. 

Manche Staubarten können selbstentzündlich (pyrophor) sein, sobald sie mit Sauerstoff in Berührung kommen. Deshalb werden in diesen Fällen spezielle Öffnungen für eine kontrollierte Oxidation in das System eingebaut, um zu gewährleisten, dass das angesammelte Material sicher oxidiert wird, bevor Wartungsarbeiten stattfinden.

Installationsvoraussetzungen 

Nach der Festlegung von Größe und Kapazität des Filters ist es entscheidend, sowohl den benötigten Raum für die Installation als auch den erforderlichen Zugang zur Wartung zu bedenken. Ob bei einer neuen Installation oder einem Upgrade, mögliche Einschränkungen können durch vorhandene Rohrleitungen, notwendige Arbeitsflächenhöhen, Gewichtsbelastungen oder den direkten Zugang zum Filter beeinflusst werden.

Industriefilter können so entwickelt und produziert werden, dass sie in den vorhandenen Raum und die gegebenen Beschränkungen einer neuen Anlage oder eines bereits bestehenden Systems (sei es eine Vakuumpumpe, ein Gebläse oder ein Kompressorsystem) integriert werden können. Beachten Sie, dass das Gewicht mit der Größe korreliert. Daher müssen die Rohrleitungen oder der Aufstellort in der Lage sein, das Gewicht des Filters sowohl im gesättigten als auch im sauberen Zustand zu stützen.  Für die spätere Wartung des Filterelements sollte man sich über den benötigten Raum für die Entnahme aus dem Behälter und das Gewicht des Deckels sowie des Elements im Klaren sein. Davit-/Hebearme oder Türen für einen seitlichen Einstieg können Wartungsarbeiten erleichtern und sicherer für das Bedienpersonal machen.

Differenzdruck

Der Leistungsverlust über einem Filterelement ist definiert als Differenzdruck, der auch als Druckabfall bezeichnet wird. Der erhöhte Druckabfall ist ein Hauptindikator für das Wartungsintervall. Dieses Intervall variiert je nach tatsächlicher Durchflussrate und Filtersättigung.

Bei der Auslegung des Filters müssen die µm-Angaben, der Wirkungsgrad und die Oberfläche des Elements berücksichtigt werden, um den Differenzdruck zu minimieren, was eine effizientere Systemleistung ermöglicht. Wenn der Differenzdruck zu hoch ist, haben die geschützten Geräte Schwierigkeiten, effizient zu arbeiten und das für den Prozess erforderliche Vakuum oder Druck zu erreichen.

Die Druckdifferenz kann über analoge oder digitale Messgeräte gemessen und überwacht werden, die in den Filter oder über zusätzliche Muffen integriert werden können. Diese Funktion ermöglicht es dem Bediener, den Filterzustand zu überwachen und letztendlich zu wissen, wann das Element gewartet oder ausgetauscht werden muss.

Service-/Wartungszubehör

Industriefilter können mit integrierten Funktionen für eine bequeme Wartung und Instandhaltung ausgestattet werden: Druckabstoßreinigung, herausnehmbare Auffangbehälter und automatische Entleerungssysteme sind nur einige der häufigsten Anforderungen, die von Bedienern/Wartungspersonal gewünscht werden.

In Fällen, in denen die aufgefangene Verunreinigung harmlos ist, kann die Reinigung eines Filterelements so einfach sein wie die Verwendung einer Bürste oder Druckluft, um Partikel zu entfernen. Einige Filtermedien sind waschbar, was aber die Lebensdauer verkürzen kann.

Automatisierte und selbstreinigende Funktionen sind gute Optionen, wenn die Verunreinigung gefährlich ist oder wenn ein kontinuierlicher Betrieb erforderlich ist.

Automatisierte Entleerungssysteme erlauben bei Flüssigkeitsabscheidern und Dampfkondensatoren einen kontinuierlichen Betrieb ohne Unterbrechung des Vakuums.