Procesfiltratie bij hoge temperaturen: zo stem je afdichting, medium en cyclus op elkaar af

In een filterproces is het niet het staal waar u zich zorgen over hoeft te maken. Een filterhuis van roestvrij staal verdraagt zonder problemen 150 °C. De kleine koppelingspakking die de verbinding dicht houdt, werkt onder precies dezelfde omstandigheden – maar met een heel andere materiaalfysica erachter. Deze kan al falen lang voordat het staal tekenen van slijtage vertoont. Dus als het filter eenmaal begint te lekken, is dat zelden te wijten aan het staal. Het is de afdichting.

In onze ultieme gids voor filtratie in de procesindustrie hebben we de gangbare filtertypes en de algemene aanbevelingen besproken. Hier gaan we een stapje verder. We bekijken wat er daadwerkelijk met de afdichting gebeurt als de temperatuur stijgt – van typische temperatuurgrenzen en materiaalkeuze tot thermische uitzetting en praktische aanbevelingen.

Voordat we ingaan op de materialen, is het de moeite waard om de feitelijke cijfers in gedachten te houden. In de procesindustrie werkt men doorgaans binnen vier vrij verschillende temperatuurbereiken, en elk daarvan stelt zijn eigen eisen aan het filter:

• Pasteurisatie: Doorgaans 85 tot 90 °C bij hoge pasteurisatie. Het filter bevindt zich zelden in de unit zelf, maar direct ervoor of erna. 
• CIP-reiniging: doorgaans 75 tot 85 °C met natronloog of zuur. Wordt dagelijks of meerdere keren per dag uitgevoerd. De belasting is cyclisch, niet constant.
• Zuivere stoom en SIP: tot 140 tot 150 °C. De meest veeleisende thermische belasting waarmee het filter doorgaans te maken krijgt.
• Warmwaterbehandeling: 80 tot 95 °C, vaak gebruikt als alternatief voor chemische CIP in zuivelbedrijven.

Het punt is dat niet alleen de piektemperatuur telt. Het is de combinatie van temperatuur, chemische belasting en het aantal cycli in de loop van de tijd die bepaalt hoe lang de afdichting meegaat.

De rubbermaterialen vormen de thermische bottleneck van het filter en de keuze daartussen bepaalt de grenzen van wat het filter klaar heeft. De vier gangbare materialen, EPDM, NBR, FPM en PTFE, hebben elk hun eigen temperatuurbereik en sterke punten:

EPDM is de standaardkeuze in veruit de meeste voedseltoepassingen en biedt een evenwicht tussen hittebestendigheid en chemische bestendigheid tegen CIP-vloeistoffen. Maar ongeacht welk materiaal u kiest, moet u de afdichting op basis van twee parameters tegelijk specificeren. Als u alleen op basis van het medium kiest, kunt u de thermische grens over het hoofd zien. Als u alleen op basis van de temperatuur kiest, kan het medium de afdichting aantasten bij dezelfde temperatuur die deze anders wel zou hebben doorstaan.

Alle materialen zetten uit bij verwarming, maar lang niet in hetzelfde tempo. Rubber zet bij dezelfde temperatuurstijging ongeveer 10 keer meer uit dan staal, en dat is precies het verschil dat de verborgen belasting in uw verbinding veroorzaakt.

Bij opwarming wordt het elastomeer extra tegen het afdichtingsvlak gedrukt en neemt de afdichtingskracht toe. Op zich is dat zelden een probleem. Maar bij afkoeling krimpt het elastomeer sneller dan het staal, neemt de afdichtingskracht af en is het risico op lekkage het grootst in die overgangsfase. Na een bepaald aantal cycli veert het elastomeer niet meer terug. Dit wordt blijvende vervorming (compression set) genoemd, met als gevolg dat de afdichting niet meer goed sluit – zelfs niet wanneer de installatie de bedrijfstemperatuur bereikt.

Een rekenvoorbeeld maakt het concreet: als uw filter twee dagelijkse CIP-cycli ondergaat bij 85 °C, gevolgd door afkoeling tot 5 °C, doorloopt de afdichting ongeveer 700 thermische cycli per jaar. Dat is het soort belasting dat afdichtingen verslijt, zelfs als ze binnen hun specificaties blijven. Daarom is het aantal cycli een betere maatstaf voor uw vervangingsinterval dan de kalender zelf.

De sectoren waarmee we doorgaans werken, stellen hun filters bloot aan hun eigen combinatie van temperatuur, chemische samenstelling en cyclusfrequentie – en dat beïnvloedt de materiaalkeuze. In brouwerijen is het proces zelf gematigd, met het koken van kruiden rond de 100 °C en koude gistings- en opslagtanks aan het andere uiteinde. Het is de dagelijkse CIP bij 75 tot 85 °C die de grootste slijtagefactor voor de afdichtingen vormt.

In de zuivelfabriek lijkt de CIP-temperatuur op die van de brouwerij, maar de chemische samenstelling is anders. Melkaanslag vereist een agressievere reiniging met bijtende middelen dan bierresten, en pasteurisatie – met name UHT (ultra high temperature) tot 135 °C – legt een hogere thermische limiet op. EPDM is nog steeds de standaardkeuze op beide plaatsen, maar in zuivellijnen met frequente UHT-behandelingen of bijzonder agressieve CIP-reinigingen wordt het materiaal dichter bij zijn grens gedreven, waardoor de vervangingsintervallen vaak korter moeten zijn. Hier zijn koppelingspakkingen met zeef een voor de hand liggende oplossing, omdat de afdichting en het filterelement tegelijkertijd worden vervangen.

In pharma en bij bioprocessen is het beeld anders. Hier is het niet de reiniging, maar de sterilisatie die de thermische limiet bepaalt. SIP met verzadigde stoom vindt doorgaans plaats bij 121 tot 135 °C gedurende minimaal 15 tot 30 min per cyclus, en dat brengt EPDM dicht bij zijn bovengrens. In toevoerleidingen met zuivere stoom is FPM of PTFE daarom vaak de voor de hand liggende keuze, omdat deze materialen meer speling hebben tot aan de bedrijfstemperatuur en beter bestand zijn tegen herhaalde blootstelling aan stoom. Als u EPDM kiest voor SIP-toepassingen, moet de leverancier de duurzaamheid aantonen voor precies die cyclustijd, temperatuur en frequentie waarmee u werkt. Anders loopt u het risico dat u de grens van het materiaal eerder bereikt dan verwacht.

Het juiste filter voor hoge temperaturen begint met drie keuzes die u aan de leverancier kunt voorleggen:

1. Specificeer de thermische cyclus, niet alleen de piektemperatuur: geef aan waaraan het filter gedurende een volledige bedrijfscyclus in uw installatie wordt blootgesteld – opwarmen, bedrijf, afkoelen en rust.
2. Stem het afdichtingsmateriaal af op zowel het medium als de temperatuur: vraag om documentatie waaruit de compatibiliteit bij de daadwerkelijke bedrijfstemperatuur blijkt, niet bij 20 °C. 
3. Vervang afdichtingen op basis van cycli, niet op basis van de kalender: Pas het onderhoudsschema aan de daadwerkelijke thermische belasting van de installatie aan – in veel zuivelfabrieken betekent dit kortere intervallen dan in een brouwerij. Elastomeren zijn slijtageonderdelen en moeten deel uitmaken van uw voorraad reserveonderdelen, zodat u niet met een lek en een lege voorraadkast komt te zitten.

Het filterhuis is goed bestand tegen hoge temperaturen. Het is echter de afdichting zelf die bepaalt hoe lang uw filter de temperatuur kan weerstaan zonder defect te raken. En de keuze tussen EPDM, NBR, FPM en PTFE hangt net zozeer af van de cyclus als van de piektemperatuur.

Als je twijfelt over de materiaalkeuze of de temperatuurtolerantie, kun je gerust contact met ons opnemen. Bel ons op +45 7020 0422 of stuur een e-mail naar aanvraag@alfotech.nl, dan helpen we je graag verder.

Kies voor FPM wanneer de bedrijfstemperatuur hoger is dan 150 °C, of wanneer het medium chemisch agressief is op een manier die EPDM niet aankan. Bij SIP boven 121 °C en bij combinaties van hoge temperaturen en olie of vet is FPM vaak de juiste keuze voor uw proces. Houd er echter rekening mee dat FPM niet geschikt is voor alle CIP-vloeistoffen. Met name hete, geconcentreerde natronloog kan een probleem vormen.

Ja, als u daarvoor het juiste materiaal hebt gekozen. EPDM is binnen zijn specificaties zonder problemen bestand tegen 85 °C, maar het is de cyclische belasting die slijtage veroorzaakt – niet de temperatuur zelf. Met twee cycli per dag komt u al snel uit op 700 cycli per jaar, en zelfs een afdichting die binnen zijn temperatuurbereik blijft, zal na verloop van tijd blijvende vervorming vertonen. Houd het drukverschil in de gaten en plan uw vervangingsintervallen op basis van het aantal cycli.

Er is geen algemeen geldend interval, omdat de belasting per installatie sterk varieert. De vuistregel is dat uw vervangingsinterval gebaseerd moet zijn op het aantal cycli en op waarnemingen: verschildruk, tekenen van vervorming, verharding of lekkage bij het opstarten. 

Ja. SIP wordt doorgaans uitgevoerd bij 121 tot 140 °C en brengt EPDM tot aan de grens. Als u herhaaldelijk SIP uitvoert, moet u FKM of PTFE overwegen, en moet het materiaal worden getest voor precies de cyclus die u uitvoert. Tegelijkertijd wordt de thermische uitzetting sterker en neemt het risico op lekkage tijdens de afkoelfase toe. 

Ja, thermische schokken vormen een reële belasting. Wanneer een warm filter aan het einde van het CIP-programma in contact komt met koud water, krimpt het elastomeer veel sneller dan het staal, wat blijvende vervorming van de afdichting versnelt. Na verloop van tijd kunnen er ook microscheurtjes in de lasnaden ontstaan. Dit soort schokken kunt u zelden volledig vermijden, maar u kunt er rekening mee houden door afdichtingsmaterialen te gebruiken die bestand zijn tegen de temperatuurverschillen die u in de productie tegenkomt.