Überlegungen zur Filtration für CPI-Einrichtungen

1. Juni 2023 | Von Ulrich Latz und Wim Callaert

Beim Entwurf eines Filtersystems werden zahlreiche Faktoren berücksichtigt, darunter technische, logistische und sicherheitstechnische Aspekte

Die Filtration ist ein wesentlicher Schritt bei der Produktion und Verarbeitung vieler Materialien in der chemischen Prozessindustrie (CPI). Über die Wirksamkeit der Filterlösung selbst hinaus gibt es noch weitere Komplexitäten, die Betreiber von Chemieanlagen verstehen sollten (Abbildung 1). Dieser Artikel befasst sich mit einigen der weniger bekannten Faktoren, die eine ordnungsgemäße Filtration in chemischen Herstellungs- und Verarbeitungsanwendungen zu einer vielschichtigen Herausforderung machen, die jedoch mit den richtigen Filtrationstechnologien gelöst werden kann.

ABBILDUNG 1. Die ordnungsgemäße Gestaltung und Wartung von Filtersystemen in chemischen Produktions- und Verarbeitungsbetrieben ist von entscheidender Bedeutung. Dazu gehören auch die Verwendung von Qualitätsprodukten, die Beachtung der Bedienersicherheit und das Wissen, wann man sich an Experten wenden kann, um Hilfe zu erhalten

Jeder chemische Prozess bringt besondere Überlegungen für die Filtration mit sich, da das Vorhandensein von Verunreinigungen empfindliche Reaktionen beeinträchtigen und zu einer verminderten Qualität des gewünschten Ausgangsprodukts führen kann. Die Partikelentfernung für Rohstoffe und die Zirkulation von Zusatzflüssigkeiten sind von entscheidender Bedeutung, da Verunreinigungen auch die Innenflächen von Prozessanlagen korrodieren und beschädigen können, was zu kostspieligen Wartungsarbeiten führt.

Imputationen gefährden die Betriebsleistung in miteinander verbundenen chemischen Prozessen erheblich, da sich Ineffizienzen in einem Bereich schnell auf andere Bereiche ausbreiten können. Die Installation geeigneter Filtrationslösungen an wichtigen Prozesspunkten trägt dazu bei, diese Risiken zu reduzieren, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Qualität des Endprodukts zu verbessern.

Ob bei der Reinigung von Rohstoffen, der Filterung von Prozessflüssigkeiten zur Wiederverwendung oder zur Endreinigung: Chemieanlagen sind auf viele Arten von Filtersystemen angewiesen, um die gewünschte Trennung zu erreichen. Während Design und Betrieb dieser Systeme stark variieren können, gibt es für alle Filtersysteme gemeinsame Überlegungen, die es zu verstehen gilt und die in den folgenden Abschnitten erläutert werden.

Obwohl Filtersysteme alle das gleiche Ziel verfolgen, sind hochwertige Materialien für die Gewährleistung bester Ergebnisse unerlässlich (Abbildung 2).

ABBILDUNG 2. Industriefilter müssen aus Materialien hergestellt werden, die die strengen Sicherheits-, Hygiene- und Qualitätsanforderungen für Branchen wie Farben und Beschichtungen sowie Spezialchemikalien erfüllen

Filter werden typischerweise aus verschiedenen Kunststoffen, Polymeren und Fasern hergestellt, die unterschiedliche Zusatzstoffe und Tenside enthalten. Insbesondere im Bereich der Automobilfarben und -beschichtungen müssen Filterprodukte, einschließlich der Konstruktionsmaterialien und des gesamten Produktionsprozesses, silikonfrei sein. „Silikonfrei“ kann für verschiedene Benutzer unterschiedliche Bedeutungen haben. Unabhängig davon, ob es sich um einen Filterbeutel oder eine Filterkartusche handelt, darf das Produkt jedoch kein Silikon oder verschiedene andere kraterbildende Stoffe enthalten. In ausreichenden Mengen können diese Verunreinigungen dazu führen, dass Lacke von der Verunreinigung „abkratern“ oder dass Farben und Beschichtungen ihre Haftung verlieren.

Aufgrund der möglichen Diffusion auslaugbarer Substanzen in chemische Prozesse ist es wichtig sicherzustellen, dass die Filtermedien frei von Verunreinigungen sind. Anlagenbetreiber sollten eine Zusicherung von ihren Lieferanten einholen, die wiederum eine vollständige Rückverfolgbarkeit der Filtrationsprodukte, einschließlich Chargennummern und Lieferantenquellen, bieten können. Darüber hinaus sollten alle Produkte eine weltweit gleichbleibende Qualität aufweisen, wobei Produktdesign und Materialien hinsichtlich Leistung, Sicherheit oder Zuverlässigkeit keine Schwankungen aufweisen – unabhängig davon, wo sie hergestellt werden.

Filter mit Öladsorptionsfähigkeiten können darüber hinaus eine Lösung für Lackhersteller bieten, die sicherstellen müssen, dass ihre Chargen für die Verwendung durch den Endkunden geeignet bleiben. Reine, nicht geschmierte Kunststoffe wie Polypropylen zeichnen sich durch oleophile und hydrophobe Eigenschaften aus, die Öle an ihre Oberfläche anziehen und gleichzeitig Wasserpartikel abstoßen. Diese Filter werden häufig in Lackbädern in der Automobilindustrie eingesetzt, entweder als Abhilfe oder vorbeugende Maßnahme.

In vielen CPI-Einrichtungen müssen Systembetreiber Schutzausrüstung, einschließlich Masken, tragen, um verschmutzte Verbrauchsfiltermedien wie Filterbeutel und Filterpatronen auszutauschen. Es ist wichtig, die Wartungsintervalle an diesen Stellen auf das Nötigste zu beschränken, da beim Öffnen von Filtereinheiten zum Wechseln von Verbrauchsmaterialien flüchtige organische Verbindungen (VOCs) freigesetzt werden können. VOCs können entweder natürlich vorkommen oder synthetisiert werden, weisen jedoch tendenziell einen hohen relativen Dampfdruck auf, was bedeutet, dass sie an der Luft leicht verdampfen.

Der Wartungsbedarf hängt weitgehend von der Art und Kapazität der ausgewählten Filterausrüstung ab. Filtersysteme müssen so konzipiert und dimensioniert sein, dass sie über lange Zeiträume zwischen den Wechseln funktionieren. Oft besteht das Ziel darin, zwischen dem Austausch von Verbrauchsfiltermedien Wochen oder sogar Monate zu vergehen. Dies trägt dazu bei, das Risiko zu begrenzen, dass bei jeder Wartung einer Einheit industrielle Lösungsmittel in die Produktionsumgebung gelangen.

Anlagenbetreibern wird empfohlen, einen Experten für Industriefiltration zu konsultieren, um Optionen für Systeme mit großer Kapazität oder, in anderen Fällen, automatische Selbstreinigungssysteme (Abbildung 3) zu erfragen, die den Bedarf an manuellen Eingriffen erheblich reduzieren. Der Markt bietet zahlreiche Konfigurationen und Funktionen, mit denen sich die Zeitspanne zwischen dem Auswechseln von Verbrauchsfiltern verlängern lässt – ein Experte kann Ihnen dabei helfen, das richtige Gleichgewicht zwischen Häufigkeit und ausgegebenem Geld zu finden.

ABBILDUNG 3. Automatisch mechanisch gereinigte Filter wie dieses kommerzielle System können einen kontinuierlichen Durchfluss, eine vereinfachte Wartung und einen sorgenfreien Betrieb gewährleisten, da das Risiko der Freisetzung schädlicher VOCs in der Produktionsumgebung geringer ist

Auch Gehäuse für Filteranlagen – sofern es sich um Druckbehälter handelt – müssen ordnungsgemäß zertifiziert sein. Der Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) der American Society of Mechanical Engineers (ASME) und die Pressure Equipment Directive (PED) sind zwei wichtige Standards, die den sicheren Betrieb von Druckgeräten weltweit gewährleisten. Die ASME BPVC wurde als eine Reihe von Verfahren für die Konstruktion, Herstellung und Verwendung von Kesseln, Druckbehältern und Rohrleitungen etabliert und wird in den USA und Kanada sowie in vielen anderen Ländern verwendet. PED ist eine EU-basierte Verordnung, die ähnliche Sicherheits- und Designanforderungen für Druckgeräte vorschreibt.

Diese Vorschriften definieren außerdem Design- und Sicherheitsparameter für Filtersysteme, verwendete Flüssigkeiten sowie Systembetriebs- und Umgebungsbedingungen. In allen Fällen ist es wichtig, sicherzustellen, dass eine Filterlösung die erforderlichen Stempel und Genehmigungen Dritter trägt, die belegen, dass die Ausrüstung den höchsten Sicherheitsanforderungen entspricht und einer Bewertung unterzogen wurde. Gelegentlich erfordern erforderliche Zertifizierungen möglicherweise zusätzlich eine CE-Kennzeichnung gemäß PED auf der Grundlage der Druckbehältervorschriften EN 13445 oder AD 2000.

Viele Faktoren beeinflussen die Effizienz und Effektivität von Filtrationsprozessen in chemischen Herstellungs- und Verarbeitungsanwendungen. Dazu gehören die Größe der zu filternden Partikel, die Porengröße des Filtermediums, die Flüssigkeitsviskosität, Systemtemperatur und -druck sowie die Konzentration der Suspension. Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, müssen industrielle Filtersysteme so konzipiert sein, dass sie diesen Anforderungen gerecht werden.

Beispielsweise kann ein Filtersystem zu effizient – ​​und kostspielig – sein, wenn neben Verunreinigungen auch gewünschte Substanzen herausgefiltert werden. Die Partikelgröße kann von nur 0,1 µm (z. B. Bakterien) bis zu 2.000 µm (z. B. Sandkörner) reichen.

Endnutzer müssen zunächst beurteilen, welche Teile der Eindämmung unerwünscht sind und welche zugelassen werden können. Dies ist entscheidend für die Auswahl des besten und wirtschaftlichsten Filtertyps, der Qualität und der Größe. Wenn die Porengröße des Filtermediums beispielsweise zu klein ist, kann es zu vorzeitiger Verstopfung kommen, und wenn die Poren zu groß sind, können Verunreinigungen direkt durch den Filter gelangen.

Auch die Menge der Verunreinigungen spielt bei der Dimensionierung der Ausrüstung eine wichtige Rolle. In einigen Fällen kann ein einfacher Verbrauchsfilter mit einer nominalen Medienkonfiguration eine effektive Leistung erbringen, und in anderen Fällen sind möglicherweise eine oder mehrere Gehäusekonfigurationen mit mehreren Beuteln und Medien mit hoher Kapazität erforderlich. Der Markt bietet eine große Produktpalette, sodass Endverbraucher für jede Anwendung die optimale Lösung finden können.

Auch sehr hohe Schadstoffbelastungen können die Wahl des Endverbrauchers für ein automatisches Filtersystem beeinflussen (Abbildung 3). Diese Systeme funktionieren ohne Verbrauchs- oder Einwegmedien und basieren auf einem Rückspül- oder mechanisch gereinigten Design, das einen kontinuierlichen Betrieb ohne Unterbrechung zum Wechseln des Filtermediums gewährleistet. Weitere Faktoren sind die folgenden:

Viskosität. Bemerkenswert ist außerdem, dass die Viskosität einer Flüssigkeit den Druckabfall in einem Filtersystem beeinflusst. Je höher die Viskosität, desto höher ist der Druckabfall aufgrund des erhöhten Strömungswiderstands. Dadurch erhöht sich wiederum die Zeit, die zum Abschluss der Filtration benötigt wird. Dieser Druckabfall muss bei der Auslegung eines Systems berücksichtigt werden, da Flüssigkeiten mit höherer Viskosität den Filter stark belasten und ihn möglicherweise beschädigen können.

Temperatur. Niedrige Betriebstemperaturen können die Durchflussrate verlangsamen und erfordern eine leistungsstärkere Pumpe und robustere Filtermaterialien, um den erhöhten Druck im System zu bewältigen. Bei hohen Temperaturen kann es noch komplizierter werden. Überschüssige Wärme erfordert möglicherweise zusätzliche Kühlelemente, um die Flüssigkeit auf sicheren Betriebstemperaturen zu halten und Reibungsverluste zu vermeiden.

Druck. Ebenso verringert sich bei zu niedrigen Betriebsdrücken die Durchflussrate der Flüssigkeit und das Filtersystem ist möglicherweise nicht in der Lage, Verunreinigungen effektiv zu entfernen. Ist der Druck hingegen zu hoch, erhöht sich die Geschwindigkeit der Flüssigkeit erheblich, was zu einem zu schnellen Prozess führt und Systemkomponenten beschädigen kann. Aus diesen Gründen sind einige Filtersysteme mit Reglern ausgestattet, um den Druck auf die gewünschten Werte einzustellen.

Umweltbelastung. Ein wichtiger Trend im Zusammenhang mit industriellen Filtrationsprozessen ist die Reduzierung der Umweltbelastung und des Kostenrisikos durch Minimierung der Erzeugung von Chemikalien- und Wasserabfällen. Richtig konstruierte Filtersysteme können eine Schlüsselrolle dabei spielen, sicherzustellen, dass überall dort, wo Einwegfilter verwendet werden müssen, der Filter die optimale Größe hat, um zur Chargengröße zu passen, oder, in anderen Fällen, dass automatisierte Filter ein minimales Rückspülvolumen und/oder ausgespültes Abfallkonzentrat erzeugen .

Auch wenn es sich hierbei um alltägliche Herausforderungen handelt, ist es unmöglich, alle Komplexitäten vorherzusagen, die sich auf chemische Herstellungs- und Verarbeitungsvorgänge auswirken können. Aus diesem Grund wird Unternehmen empfohlen, sich an Spezialisten zu wenden, die dieselben Herausforderungen schon oft gelöst haben und Probleme beheben, Anlagenanforderungen vorhersehen und von Anfang an eine richtige Lösung empfehlen können.

Zusätzliche Best Practices für die Industriefiltration können allgemein auf alle Herausforderungen von CPI-Anlagen angewendet werden und umfassen Folgendes:

Überlegungen zu Qualität rein, Qualität raus. Die Filtration sollte vor und nach Abschluss eines chemischen Herstellungsprozesses erfolgen und erfordert Filter an Flüssigkeitseintritts- und -austrittspunkten (z. B. an Verladestationen, bevor Flüssigkeiten auf Tankwagen umgeladen werden, und erneut beim Entladen von Lastkraftwagen). Bei jedem Transfer von Chemikalien sollte an beiden Enden eine Filterung eingesetzt werden, um die Qualität des Produkts zu gewährleisten (Abbildung 4).

ABBILDUNG 4. Erwägen Sie ein industrielles Filtersystem überall dort, wo die Möglichkeit einer Kontamination der Prozessleitungen besteht. Die vorgeschaltete Filterung kann dazu beitragen, die Betriebskosten zu minimieren, indem sie teurere nachgeschaltete Filter schützt

Darüber hinaus sollten Filtersysteme den Branchenvorschriften und -standards strikt entsprechen. Dadurch wird sichergestellt, dass das System ordnungsgemäß funktioniert und bei der Installation nur ein geringes Risiko darstellt und die Umwelt nur minimal beeinträchtigt wird (was auch dazu beiträgt, das Risiko einer Kontamination zu verringern; Abbildung 4). Außerdem sollte es so konfiguriert sein, dass zukünftige Wartungsarbeiten problemlos durchgeführt werden können.

Überlegungen zur Bedienersicherheit. Bei Flüssigkeitsfiltrationssystemen wie Beutel- und Patronenfiltergehäusen, die zum Austausch von Verbrauchsmaterialien geöffnet und geschlossen werden müssen, müssen Bedienersicherheit und Ergonomie berücksichtigt werden. Die Höhe, in der ein Filtergehäuse geöffnet werden muss, und die Position, an der die Verbrauchsmaterialien angebracht werden müssen zu extrahieren ist ein typisches Beispiel. Wenn beispielsweise Filtergehäuse normalerweise vertikal angeordnet sind, kann eine geneigte oder sogar horizontale Position die Arbeitshöhe erheblich verringern.

Auch die Art und Weise, wie die Filtereinheit geöffnet und geschlossen wird, kann einen Unterschied machen. Wo herkömmliche Einheiten häufig mit mehreren Bolzen ausgestattet sind, können bedienerfreundlichere Schnellöffnungs- und -schließsysteme gewählt werden, um den Zugriff auf Verbrauchsmaterialien in Sekundenschnelle zu ermöglichen, statt minutenlanger harter Handarbeit (Abbildung 5). Beachten Sie, dass die Geräte mit einem geeigneten Sicherheitssystem ausgestattet sein sollten, das den Schnellöffnungsmechanismus blockiert, während das Gehäuse unter Druck steht.

ABBILDUNG 5. In CPI-Anlagen benötigen Betreiber Beutelfiltrationslösungen, die einfach und sicher zu verwenden sind, wie z. B. dieses Filtergehäuse mit mehreren Beuteln, das über einen schnellen Öffnungs- und Verriegelungsmechanismus verfügt. Stehend kann der Bediener das Handrad drehen und die Abdeckung öffnen. Es ist keine vollständige Beweglichkeit und Zugänglichkeit rund um das Gehäuse oder die Verwendung von Werkzeugen wie bei herkömmlichen Schraubverschlüssen erforderlich

Hochleistungsfilter, die eine zusätzliche Filterfläche im gleichen Filtergehäuse bieten, können auch die erforderlichen Wartungszyklen minimieren und so die Belastung des Bedieners durch potenziell gefährliche Umgebungen verringern.

Schließlich muss ausreichend Platz für Bediener und Wartungspersonal zur Verfügung gestellt werden, um auf die Filteranlage zuzugreifen und sich um diese herum zu manövrieren, sodass die Gefährdung durch andere Sicherheitsrisiken in der Umgebung minimiert wird.

In Bezug auf den Umsatz wurde der weltweite Markt für Industriefiltration im Jahr 2022 auf 33,5 Milliarden US-Dollar geschätzt und dürfte bis 2027 einen Wert von 45,2 Milliarden US-Dollar erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 6,2 % entspricht [1]. Der Markt wird derzeit von einer Vielzahl von Faktoren wie den hier diskutierten angetrieben, darunter staatlich erlassene Umweltvorschriften, strengere Anforderungen an sichere Umgebungen und der zunehmende Bedarf an Prozesszuverlässigkeit. Diese Faktoren treiben die Nachfrage nach hochintegrierten und leistungsstarken Filtrationslösungen voran.

Bei der Implementierung von Filtersystemen in CPI-Einrichtungen ist große Sorgfalt geboten. Es ist eine sinnvolle Investition, einen Experten mit der Planung des Filtersystems zu beauftragen. Ein erfahrener Designer ist mit den technischen Aspekten der Filterlösung vertraut, kann die Einrichtung an die spezifischen Anforderungen der Anlage anpassen und die mit unzureichenden Filtermaßnahmen verbundenen Risiken minimieren. Sie sind außerdem über die neuesten Industriestandards und Technologien auf dem Laufenden und können die effektivsten Ansätze vorschlagen. Darüber hinaus stellen sie sicher, dass das Design allen Branchenanforderungen und Sicherheitsrichtlinien entspricht.

Die Entwicklung, Implementierung und Wartung von Filtrationslösungen für chemische Herstellungs- und Verarbeitungsanwendungen sind selten unkomplizierte Prozesse. Unternehmen, die ihre Leistung optimieren möchten, profitieren von hochwertigen Filtrationsprodukten und der Unterstützung von Industriefiltrationsexperten, die alles wissen, was zu beachten ist.

Herausgegeben von Gerald Ondrey

1. MarketsAndMarkets Pvt., Ltd., „Industrial Filtration Market – Global Forecast to 2027“, Berichtscode EP 4471, März 2022, www.marketsandmarkets.com, abgerufen am 22.03.23.

Ulrich Latz ist globaler Produktmanager in der Filtration Division von Eaton mit Sitz in Deutschland. Er verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung im Bereich der industriellen Filtration. Latz verfügt über einen Masterabschluss in Ingenieurwissenschaften der Fachhochschule Köln.

Wim Callaert ist leitender Produktmanager in der Filtration Division von Eaton mit Sitz in Belgien. Er verfügt über 30 Jahre Erfahrung im Bereich Filtration im globalen Produktmanagement, Vertrieb und Marketing. Callaert verfügt über einen Master-Abschluss in Ingenieurwissenschaften vom IHR in Brüssel.