Poröse Metallkomponenten erklärt: Rohre, Platten und Scheiben

Poröse Metallkomponenten wie Rohre, Platten und Scheiben sind Grundbausteine für Filtrationsbaugruppen, Gasverteilungssysteme, Strömungsbegrenzer und elektrochemische Zellen. Welche Bauform die richtige ist, hängt davon ab, wo die Komponente im System sitzt und welche Funktion sie erfüllen soll. Dieser Leitfaden behandelt die drei Standardformen, ihre Größenbereiche und die Anwendungen, für die sie jeweils am besten geeignet sind.

Werkstoffe und Porenstruktur

Alle drei Formen werden durch Sintern von Metallpulver aus 316L Edelstahl oder Reintitan Grade 2 in einem Vakuumofen bei 1000-1200°C hergestellt. Die resultierende Struktur besitzt eine miteinander verbundene Porosität über die gesamte Wand- bzw. Körperdicke, wobei sich die Porengröße je nach Ausgangspulver und Sinterparametern im Bereich von 0.22 bis 100 µm einstellen lässt. Die typische Porosität liegt bei 30-45%, das heißt etwa ein Drittel des Volumens ist offener Porenraum.

Die Wahl zwischen 316L und Titan richtet sich nach dem Prozessmedium. 316L deckt die meisten industriellen Fluide ab, etwa Wasser, Luft, Stickstoff, Kohlenwasserstoffe, schwache Säuren und Laugen. Titan wird spezifiziert, wenn Chloride, starke Mineralsäuren wie HCl oder H2SO4, Meerwasser oder pharmazeutische Anforderungen an die Biokompatibilität ins Spiel kommen.

Poröse Rohre

Außendurchmesser: 14 – 200 mm (Titan) / 20 – 200 mm (316L)

Länge: 100 – 1200 mm

Wandstärke: 2 – 10 mm

Porosität: 30 – 45%

Porengröße: 0,22 – 100 µm

Poröse Rohre sind die vielseitigste Bauform. Dank ihrer zylindrischen Geometrie lassen sie sich direkt in Rohrleitungen einbauen, in Gehäuse einsetzen oder vertikal in Behältern montieren. Das Fluid kann von außen nach innen strömen, also im Filtrationsmodus, oder von innen nach außen im Sparging- oder Belüftungsbetrieb.

Gasbegasung und Belüftung

Wird ein poröses Rohr von innen mit Gas beaufschlagt, tritt das Gas durch die Porenkanäle als gleichmäßig verteilte feine Blasen an der Außenfläche aus. Die Blasengröße wird durch die Porengröße bestimmt: Feinere Poren erzeugen kleinere Blasen, was eine größere Oberfläche pro Gasvolumen und damit einen besseren Stoffübergang bedeutet. Typische Anwendungen sind die Sauerstoffeinbringung in Abwasser, die Karbonisierung von Getränken und Gas-Flüssig-Reaktionen in chemischen Prozessen. Für Belüftung sind häufig 10-50 µm üblich, für feine Blasendiffusion in Bioreaktoren eher 2-10 µm.

Fluidisierung

In Wirbelschichtreaktoren und Pulversystemen verteilen poröse Rohre das Gas gleichmäßig über ihre Länge und sorgen so für eine homogene Fluidisierung. Der Druckverlust über die poröse Wand wirkt als natürlicher Strömungswiderstand und verhindert Kanalbildung, selbst wenn die Bettdichte entlang des Rohrs variiert. Das ist ein deutlicher Vorteil gegenüber gelochten Rohrverteilern, bei denen Gas bevorzugt durch Bereiche mit geringem Widerstand strömt.

Inline-Filtration

Werden poröse Rohre als Inline-Filterelemente eingesetzt, erfolgt die Strömung von außen nach innen. Dabei werden Partikel aus dem Prozessstrom abgeschieden, während das Fluid durch die Rohrwand in den sauberen Innenkanal gelangt. Die zylindrische Geometrie bietet eine große Filterfläche im Verhältnis zum Gehäusedurchmesser. Mehrere Rohre können parallel in einem Gehäuse angeordnet werden, um die Gesamtkapazität zu erhöhen.

Poröse Platten

Maximale Größe: 600 x 400 mm (Titan) / 300 x 300 mm (316L)

Dicke: 0.5 – 20 mm (Titan) / 0.5 – 10 mm (316L)

Porosität: 30 – 45%

Porengröße: 0,22 – 100 µm

Poröse Platten sind flache rechteckige oder quadratische Bauteile mit gleichmäßiger Durchgangsporosität. Sie werden dort eingesetzt, wo eine flache permeable Oberfläche benötigt wird statt einer zylindrischen.

Komponenten für PEM-Elektrolyseure

In PEM-Wasserelektrolyseuren dienen poröse Titanplatten auf der Anodenseite als poröse Transportlagen (PTLs) und Strömungsfeldplatten. Die Platte muss Wasser zur Katalysatorschicht leiten, Strom übertragen und Sauerstoffblasen abführen. Titan ist hier erforderlich, weil die Anodenumgebung stark oxidierend ist. Die Dicke solcher PTL-Platten liegt typischerweise bei 0.5-2 mm, während die Porosität auf das jeweilige Zelldesign abgestimmt wird.

Strömungsverteilung

Wenn ein Fluid über einen Querschnitt gleichmäßig verteilt werden muss, beispielsweise zur Beschickung eines Festbettreaktors oder zur Gasverteilung über eine Wärmetauscherfläche, arbeitet eine poröse Platte als passiver Verteiler. Der Druckverlust über die Platte zwingt das Fluid dazu, sich lateral zu verteilen, bevor es hindurchtritt, und reduziert so Jet-Effekte einfacher Düsenverteiler.

Poröse Scheiben

Durchmesser: 5 – 400 mm (Titan) / 5 – 300 mm (316L)

Dicke: 0,5 – 20 mm

Toleranz: Außendurchmesser ±0.1 mm, Dicke ±0.05 mm

Porosität: 30 – 45%

Porengröße: 0,22 – 100 µm

Poröse Scheiben sind runde Komponenten, die in Rundgehäuse, Flansche und Rohranschlüsse passen. Sie sind die am einfachsten zu montierende Bauform und besonders verbreitet in kleinen Anlagen und Laboranwendungen.

Probenfiltration und Laboranwendungen

In analytischer Chemie und Qualitätskontrolllaboren dienen gesinterte Metallscheiben als wiederverwendbare Filterträger und Filterelemente in Vakuumfiltrationseinheiten, Inline-Probenhaltern und Büchner-ähnlichen Trichtern. Eine Scheibe mit 25-50 mm Durchmesser und 0.22-1 µm Porengröße ermöglicht feinste Probenfiltration ohne die laufenden Kosten von Einwegmembranfiltern.

Gasdiffusion

Kleine poröse Scheiben mit 5-50 mm Durchmesser werden als Gasdiffusionselemente in Sensoren, Analysatoren und kleinen Gas-Flüssig-Kontaktoren eingesetzt. Die Scheibe regelt die Gasdurchtrittsrate in einen Messraum oder eine Flüssigkeit und sorgt für einen stabilen, reproduzierbaren Fluss ohne Ventile oder aktive Regelung.

Druckausgleich

Geschlossene Gehäuse wie Elektronikboxen, Drucksensoren oder Batteriepacks müssen bei Temperatur- oder Höhenänderungen den Innen- und Außendruck ausgleichen. Eine kleine poröse Scheibe mit typischerweise 5-15 mm Durchmesser und 0.22-5 µm Porengröße ermöglicht langsamen Gasaustausch und blockiert gleichzeitig Wasser, Staub und Verunreinigungen. Das Grundprinzip ähnelt Gore-Tex-Entlüftungselementen, jedoch in Metallausführung für höhere Temperaturen und mechanische Belastungen.

Die richtige Bauform auswählen

Die Entscheidung ergibt sich meist aus der Einbausituation:

• Rohr, wenn die Komponente in einer Leitung, einem Behälter oder einem zylindrischen Gehäuse sitzt, wenn verteiltes Sparging oder Inline-Filtration benötigt wird oder wenn Endanschlüsse wie Gewinde, Kappen oder Flansche erforderlich sind.
• Platte, wenn eine flache permeable Fläche über einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt benötigt wird, für Elektrolyseur-Stacks oder für großflächige Strömungsverteilung.
• Scheibe, wenn die Komponente in einen runden Sitz oder Flansch eingesetzt wird, für Labor- und Kleinmaßstabsanwendungen, Entlüftungselemente oder kleine Gasverteiler und generell bei Durchmessern unter etwa 300 mm.

Alle drei Formen sind in kundenspezifischen Abmessungen erhältlich. Wenn Ihre Anwendung eine Sondergröße, eine bestimmte Porenklasse oder eine spezielle Endkonfiguration erfordert, besuchen Sie bitte unsere Produktseite für poröse Komponenten oder kontaktieren Sie uns mit Ihren Anforderungen.