Modellieren & Simulieren in der Filtration

FilterDict ist ein leistungsstarkes Modul zur Simulation der Partikelfiltration in Filtermedien und Filterelementen zu kompletten Filtern. Zusätzlich ermöglichen vordefinierte Einstellungen mit Benutzereingabe die Simulation der Cross-Flow-Filtration und die Simulation der Strömung im kompletten Filter mit Gehäuse.

FilterDict ist als Marke der Math2Market GmbH in Deutschland eingetragen.

FilterDict ist eine zukunftsweisende Software, die im akademischen und industriellen Umfeld weit verbreitet ist. Sie ist die einzige Software auf dem Markt, die diese Funktionalität unter Verwendung von Standardhardware (16GB 64bit Windows oder Linux Computer) bietet.

Aktuell beschäftigt sich M2M mit der Simulation von Raumluftfiltrationssystemen und deren optimaler Platzierung im Raum, um die Wirksamkeit der Partikelentfernung zu erhöhen und möglicherweise das Risiko einer Virusinfektion zu verringern.

Anwendungsbeispiele für Simulationen

• Aerosol Filtern aus Faservliesstoffen 
• Rußfiltration durch die Wabenstruktur eines Dieselpartikelfilters (DPF) oder Benzinpartikelfilters (GPF)
• Ölfiltration in einem Multi-Pass Test Stand
• mikronischer Teilchen-Filtration und Zusetzungsphänomenen in mikrofluidischen Systemen
• Partikelverfolgung durch ein Filterfaltenelement
• Zusetzungsprozess einer HEPA-Filterfalte (High-Efficiency Particulate Air filter)
• Raumluftreiniger und ihre Platzierung im Raum

Das Filtermedium kann jede Art von porösem Medium sein, typischerweise ein Vliesstoff, Gewebe (Metall, Textil oder Kunststoff), Schaumstoff, Membran oder Zellulosepapier. FilterDict kann allerdings auch die Filtration durch Böden oder Sand u. ä. simulieren. Jedes dieser Filtermedien kann analysiert, optimiert und/oder neu konzipiert werden. Selbst für Nanofaser-Filtermedien simuliert FilterDict die Filtration exakt unter Einbeziehung des Schlupf-Effekts.

Mit FilterDict kann die Berechnung des Abscheidegrades, die eine einfache Strömungsfeldberechnung erfordert, für realistische Vliesstoffmodelle (300 x 300 x 600 Gitterzellen / Voxel) in einigen Stunden durchgeführt werden. Filter-Standzeit-Simulationen können hingegen wegen der notwendigen Neuberechnung der Strömungsfelder mehrere Tage dauern.

Die mit FilterDict vorausgesagten Abscheidegrade und die Entwicklung des Druckabfalls sind in einer Vielzahl industrieller und wissenschaftlicher Forschungsprojekten umfassend validiert worden. Die Vorhersagen von FilterDict weichen typischerweise nicht mehr als 10-20% von den experimentellen Messwerten ab.

Abscheidegrad - FilterDict bestimmt für ein Filtermedium die Abscheidegrade der verschiedenen Partikelgrößen und die Größe der am stärksten durchdringenden Partikel (MPPS), indem die Partikelbahnen durch die 3D Struktur berechnet werden. Bei der Partikelbewegung werden Sperreffekt, Trägheit, Brownsche Bewegung und elektrostatische Anziehung berücksichtigt. Verschiedene physikalische Modelle können genutzt werden, um den Kontakt der Partikel mit dem Filtermaterial zu simulieren (Berührt-Gefangen, Van der Waals Kräfte / Hamaker Konstante, Sieben), wodurch verschiedene Filtrationsregime simuliert werden können. Mit Hilfe von "User-Defined Functions" ist eine vollständige Kontrolle über alle Modellparameter möglich.

Anfangsdruckabfall - Mit Hilfe des Strömungslösers aus FlowDict bestimmt FilterDict den Anfangsdruckabfall über das Filtermedium. Schnelle Durchflussraten werden mit Navier-Stokes, langsame mit Stokes Strömungen simuliert.

Filterstandzeit und Kapazität - FilterDict kann das Zusetzen des Filters in einem Single-Pass oder Multi-Pass Experiment simulieren. Die zeitliche Entwicklung des Druckabfalls und die maximal mögliche Beladung werden dabei berechnet. Die Simulation deckt den gesamten zeitlichen Verlauf von der Tiefen- bis zur Kuchenfiltration ab.

Der ideale Filter hat eine große Staubspeicherkapazität (DHC) und eine hohe Filtereffizienz bei gleichzeitig niedrigem Druckabfall. Diese drei Eigenschaften hängen in der Regel voneinander ab, was bedeutet, dass die Verbesserung von einer oder zwei dieser Eigenschaften in der Regel die dritte Eigenschaft aushebelt.

Mit dem Ziel, die DHC zu erhöhen, simuliert FilterDict das Zusetzen des Filters in einem Single-Pass Experiment auf höherem Maßstab für nicht aufgelöste Medien, wie z.B. Einzel- oder Mehrfachfalten, Faltenelemente und Dieselpartikelfilter-Strukturen.

Filterelemente

Für Filterelemente wie beispielsweise plissierte Filter bestimmt FilterDict die Filterstandzeit und die Staubspeicherkapazität (DHC). Das Filtermedium der Falten kann ein Vlies oder ein gewebtes Filtermedium sein. Mit FilterDict können vorhandene Filter optimiert und neue Filter gestaltet werden, indem Flachfiltermedien ausgewählt und die Falten-Geometrie sowie die Anzahl der Falten festgelegt werden.

Das verwendete Pass-Through-Modell dient als Grundlage zur Bestimmung des zeitlichen Druckabfalls und des Staubspeichervermögens, welches dabei die Filtrationsmöglichkeit jedes Partikeltyps in verschiedenen ungelösten porösen Medien berücksichtigt.

Die Simulation deckt den gesamten Filtrationsprozess ab, von der Tiefen- bis hin zur Kuchenfiltration. Die Simulation mit GeoDict wird validiert, indem die Ergebnisse mit Experimenten verglichen und die numerischen Parameter angepasst werden.

Komplettfilter mit Gehäuse

Bei der Simulation des Komplettfilters mit Gehäuse wird die Geometrie seiner Teile im CAD-Format (*.stl und/oder .obj) importiert und mit ImportGeo-CAD in ein GeoDict-Voxel (3d-Pixel) umgewandelt. Der Anwender definiert Zu- und Ablauf für die Strömung und die Eigenschaften der Filterteile (strömende Flüssigkeit, Feststoffe, poröse Teile). Die Eigenschaften der Filtermedien im Mikromaßstab werden ebenfalls definiert (z. B. Durchlässigkeit).

Das Filtermedium der Falten im Inneren des kompletten Filters kann ein Vlies oder ein gewebtes Filtermedium sein.

Die Standzeit-Single-Pass Simulation ermittelt die Änderungen des Druckabfalls in Abhängigkeit von der Zeit, den fraktionierten Abscheidegraden und dem abgelagerten Staub pro Batch.

Wabenstrukturen

Für Wabenstrukturen, wie z. B. in Dieselpartikelfiltern (DPF) und Benzinpartikelfiltern (GPF), wird FilterDict verwendet, um die Filter für einen geringeren Druckverlust, eine höhere Filtereffizienz und eine längere Lebensdauer auszulegen und zu optimieren.