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Koaleszenz

Die Herausforderung: Hervorragende Leistung bei Flüssig-Flüssig- oder Flüssig-Gas-Trennanwendungen

Bedeutung der Koaleszenz in der Filtration

Die Entwicklung wirksamer Filter erfordert ein tiefes Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse, die beim Verhalten von Flüssigkeiten eine Rolle spielen. Eine besondere Herausforderung ist die Koaleszenz - der Prozess, bei dem sich kleinere Flüssigkeitströpfchen zu größeren Tröpfchen zusammenschließen. Diese Dynamik ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion und Effizienz vieler Filtertypen, insbesondere bei Anwendungen wie Wasseraufbereitung, Öl-Wasser-Trennung und Luftreinigung.

Abb. 1 Koaleszenz von Tröpfchen in einer Emulsion

Anwendung von Koleszenz in der Filtration

Der Koaleszenzprozess ist in Industriezweigen wie der maschinellen Bearbeitung, der Metallverarbeitung und dem verarbeitenden Gewerbe von entscheidender Bedeutung, da Ölnebel, der bei Prozessen wie Schneiden, Schleifen oder Schmieren entsteht, die Gesundheit der Arbeitnehmer gefährden und zu einer Verunreinigung der Umwelt führen kann.

Koaleszenzfilter bestehen in der Regel aus speziellen Medien oder Materialien mit großer Oberfläche und spezifischen Eigenschaften, die den Koaleszenzprozess effizient unterstützen. Diese Filter werden üblicherweise in verschiedenen Anwendungen eingesetzt:

  • Entfernung von Verunreinigungen wie Wasser, Ölnebel und anderen Flüssigkeiten aus Gasströmen und damit Verbesserung der Produktqualität
  • Schutz der Ausrüstung vor Beschädigung oder Korrosion
  • Sicherstellung der Einhaltung von Umweltvorschriften

Fragen Sie unsere Experten

Video 1: Koaleszenz auf einem Filtermedium

Simulation der Koaleszenz auf der Filtermedienskala

Für die Simulation der Koaleszenz auf der Medienskala verwendet GeoDict einen dreistufigen Ansatz.

  1. Berechnung von Strömung und Druckfeld: Im ersten Schritt wird das Strömungs- und Druckfeld berechnet, indem die Navier-Stokes-Gleichung mit Hilfe modernster numerischer Löser und Techniken wie adaptive Gitter, Multigitter und Krylov-Unterraum gelöst wird.
  2. Agglomeration der Partikel: Im Folgenden werden die Partikel entlang der Stromlinien verfolgt, die durch Widerstand, Diffusion und elektrostatische Kräfte beeinflusst werden können. Nachdem alle Partikel entweder gefiltert wurden oder das Medium verlassen haben, werden die Partikel Teil der Struktur - es entsteht ein sogenannter Batch. Insbesondere bei der Simulation der Koaleszenz werden die Partikel verflüssigt und können zu größeren Tröpfchen agglomerieren.
  3. Neuberechnung des Strömungsfeldes: Im nächsten Batch wird das Strömungsfeld neu berechnet und ein neuer Satz von Partikeln verfolgt. Durch die Durchführung mehrerer Chargen wird die Tiefe des Filtermediums verstopft und es kann sich ein Filterkuchen bilden.

Die Form der Tröpfchen, die an der Faseroberfläche haften, wird durch den Kontaktwinkel zwischen Faser und Tröpfchen bestimmt. Weitere Prozesse, die bei der Koaleszenz auftreten, wie z. B. das Re-Entrainment, bei dem abgeschiedene Flüssigkeitströpfchen wieder in den Gas- oder Dampfstrom zurückfließen, nachdem sie von einem Koaleszenzfilter aufgefangen wurden, und die Entwässerung können ebenfalls angegeben werden.

Video 2: Partikelablagerung Koaleszenz

Herausforderungen für die Entwicklung künftiger Koaleszenzfilter

Faserdurchmesser und -struktur

Optimieren Sie den Durchmesser und die Struktur der Filterfasern, um eine effektive Koaleszenz zu fördern. Feinere Fasern können kleinere Flüssigkeitströpfchen auffangen, während eine kontrollierte Porenstruktur die Flüssigkeitsrückhaltung verbessert und die Zusammenführung der Tröpfchen erleichtert. Mehrschichtige Medienkonfigurationen oder solche mit einem Dichtegradienten können die Koaleszenzeffizienz weiter verbessern, indem sie mehrere Stufen der Tröpfchenerfassung und Koaleszenz ermöglichen.

Modifizierung der Oberfläche

Modifizierung der Oberflächeneigenschaften von Filtermedien durch Behandlungen wie hydrophile oder hydrophobe Beschichtungen zur Verbesserung der Tröpfchenbenetzung und Koaleszenz.

Oberflächenmodifikationen können die Oberflächenenergie und die Affinität für bestimmte Flüssigkeiten verändern und so das Auffangen und Zusammenführen der gewünschten Verunreinigungen verbessern.

Porengrößenverteilung

Passen Sie die Porengrößenverteilung des Filtermediums an, um ein breites Spektrum an Tröpfchengrößen effektiv abzufangen.

Eine ausgewogene Porengrößenverteilung, die sowohl Mikro- als auch Makroporen umfasst, sorgt für eine effiziente Entfernung von kleinen und großen Tröpfchen aus dem Gas- oder Dampfstrom.

Mediendicke und -dichte

Optimieren Sie die Dicke und Dichte des Filtermediums, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Koaleszenzeffizienz und Druckabfall zu erreichen. Dickere Medien mit höherer Dichte können mehr Flüssigkeitströpfchen auffangen, können aber den Druckabfall erhöhen und erfordern eine häufigere Wartung.

Die Ausgewogenheit dieser Faktoren ist entscheidend für die Maximierung der Filtrationsleistung bei gleichzeitiger Minimierung der Betriebskosten.

Die GeoDict Lösung für die Berücksichtigung der Koaleszenz in der Filtration

Das GeoDict-Paket umfasst neben der GeoDict Base alle notwendigen Module für die Forschung und Entwicklung von Filtermaterialien.

Modulempfehlungen

Bildverarbeitung & Bildanalyse ImportGeo-Vol  
Charakterisierung & Analyse FiberFind(-AI) PoroDict + MatDict
Modellierung & Design FiberGeo WeaveGeo
Simulation & Vorhersage FilterDict FlowDict

Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.

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