Zur Erklarung der Diskrepanz zwischen Theorie und Ex- periment bestehen mehrere Moglichkeiten. Der Haupt- grund wird darin zu sehen sein, daB die Theorie von einer Einzelblase ausgeht, wahrend hier ein Blasenkollelctiv vor- liegt. Bei der vorgegebenen Blasenvolumenkonzentration von cv = 0,052 ist eine Erhohung der Blasenaufstiegs- geschwindigkeit gegeniiber der Stokes-Geschwindigkeit moglich [9]. Eine Abschatzung zeigt, daD fur den vorlie- genden Fall die Blasensteiggeschwindigkeit nur gering- fugig erhoht werden diirfte, so daB dieser EinfluB nicht ausreicht, um den Unterschied zwischen Theorie und Ex- periment zu erklaren. Wahrscheinlicher ist, daB die Blasen koagulieren. Dadurch ist eine wesentliche Verbesserung der Blasenabscheidung moglich. Durch systematische Untersuchungen, besonders durch Verringerung der Vo- lumenkonzentration der Blasen, sol1 dieser Effekt noch geklart werden.

In Abb. 10 ist die gemessene und die berechnete Trenn- kurve fur einen erhohten Fliissigkeitsvolumenstrom von

= 1 m3/h dargestellt. Hier zeigt sich, daD die Entga- sungszent,rifuge noch besser abscheidet als theoretisch zu

/- A’] 10 20 30 65 pm 75

Blosendurchmesser do 0 1 mml

Abb. 10. Gemessene (-) und berechnete (- - -) Trennkurve fur = 1 m3/h, cv ~ t ! 0,02, q = 2,2 Pa. s, e = 1,4 g/cm3, z = 225, pi/po = 0,02, R = 20 om und L = 50 om.

erwarten ist ; Blasen mit do > 10 pm werden zu mehr als 90% abgeschieden. Wie auch in Abb. 9 ist der Verl.auf der Trennkurve flach im Bereich groDer @-Werte. Dies be- deutet, daB relativ groDe Blasen, die theoretisch abge- schieden sein miifiten, im entgasten Gut verblieben sind. Es wird vermutet, daB dieser Effekt durch die Anlauf- phase bedingt ist, da der Versuch wegen des hohen Durch- satzes und der beschrankten Versuchsmenge nur kurz- zeitig gefahren werden konnte. Es wurde beobachtet, daB der Anfang des Filmes bei Aufgabe des Gutes in das ro- tierende System an der Innenwand abrollt und dadurch anfanglich groDe Blasen in den Auffangbehalter fur das entgaste Gut gelangen konnen.

Die bisherigen Experimente sind nur Vorversuche einer geplanten umfangreichen Versuchsserie. Vor allem sollen Flussigkeiten mit nicht-Newtonschem Verhalten und hoher viskose Stoffe untersucht werden. Schon jetzt 1aBt sich jedoch aus den theoretischen und ersten experimentellen Ergebnissen schlieBen, daD die Entgasung hochviskoser Flussigkeiten im Fliehkraftfeld erfolgversprechend ist.

Eingegangen am 9. Febrnar 1972 [B 33801

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T ro pf e n a b s ch eider *

Ubersicht zum Stande des Wissens

Armin Burkholz und Edgar Muschelknautz * *

Fur die optimale Losung eines Abscheideproblems benotigt der Ingenieur Auskunft iiber die Feinheit der dispersen Phase und die Leistungsfahigkeit des Abscheiders. Mit dem Kaskadenimpaktor lassen sich sowohl Tropfchenspektren als auch Ab- scheidegrade messen. Fur Zyklone, Lamellenabscheider, Drahtgestrickpakete und Plattenelektrofilter werden fur verschiedene Anstromgeschwindigkeiten die Frak- tionsahscheidegrade mitgeteilt und mit berechneten Werten verglichen.

Neben dem Problem der Entstaubung von ProzeB- und Abgasen ist in der chemischen Industrie die Entfernung von Tropfen- Aerosolen aus diesen Gasstromen ein nicht

minder wichtiger Aufgabenbereich. In heiden Fallen ist die TeilchengroDe, d. h. der Durchmesser des Staubkorns oder Tropfchens, fiir deren Abscheidung die wesentliche GroBe. Wahrend man aber Staubproben sammeln und die KorngroBenverteilung im Labor je nach Aufwand fast beliebig genau bestimmen kann, mussen Tropfen- groBenverteilungen an Ort und Stelle gemessen werden.

* Vorgetragen von A. Burkholz auf dem Jahrestreffen der Ver- fahrens-Ingenieure, 21. bis 23. September 1971 in Nurnberg.

* * Dr. A. Burkholz U. Dr. E. Musehelknautz, Ingenieur-Abt. A , ~ - gewandte Physik, Farbenfabriken Bayer AG, Leverkusen.

Chemie-Ing.-Techn. 44. Jahrg. 1972 N r . 8 503

MeBrnethode

Dafur erwies sich in der Praxis der Kaskadenimpaktor als das bisher geeignetste MeBgerat [ l , 21. Er besteht aus mehreren hintereinandergeschalteten und enger werden- den Dusen, hinter denen sich abnehmbare Prallplatten befinden. Saugt man einen aerosol-haltigen Gasstrom durch den Impaktor, so werden die Tropfchen auf den Platten fraktioniert abgeschieden. Man kann also jeder Platte eine bestimmte mittlere TropfengroBe zuordnen.

89.24

Abb. 1. Schema der Abscheidegrad-Messung.

a Abscheider, b Impaktor, c Pumpe, d Gasuhr.

Der Fraktionsabscheidegrad eines Tropfenabscheiders laBt sich nun einfach dadurch bestimmen, daB man rnit zwei gleichartigen Kaskadenimpaktoren das aerosol- haltige Gas vor und hinter dem Abscheider analysiert, s. Abb. 1. 1st fur eine bestimmte Abscheidestufe die Niederschlagsmenge davor A und dahinter B, so ergibt sich fur die zugeordnete TropfengroBe der Abscheidegrad zu

?p= ( A - B ) / A . Da jeder Stufe eine andere TropfengroBe entspricht, erhalt man ebensoviele MeBpunkte der Fraktionsab- scheidegrad-Kurve.

Auf diese Weise wurden alle im folgenden aufgezeichneten Fraktionsabscheidegrade gemessen, teils im Labor mit Testaerosol an Modellabscheidern, teils an betrieblichen Installationen. Zur Prufung der einschlagigen Abscheide- theorien sind mit anderen Methoden zwar genauere Abso- lutmessungen miiglich, aus praktischen Grunden erschien es jedoch nutzlich, auch im Labor die Tropfenabscheidung mit dem Verfahren zu untersuchen, das auch betriebliche Messungen erlaubt.

Feine Aerosole unter 3 pm Dmr. entstehen durch Tropfen- kondensation infolge Abkiihlung des Gases. Dagegen ent- steht relativ grober Spruh, wenn Flussigkeit von Gas- stromen mitgerissen wird. Durch Ausschleudern des Grobanteils in Krummern und Geblasen verfeinert sich das Aerosol meist auf 1 bis 20 pm. In diesem Bereich las- sen sich mit dem Impaktor Tropfenspektren und Ab- scheidegrad messen, Abb. 2. Die Ruckstandssummen- kurve fur das Kondensationsaerosol besagt z. B., daR die Tropfendurchmesser zwischen 0,3 und 3 pm liegen und zu 50% groRer als 1,3 pm sind. Aus Tropfenverteilung und Abscheidekurve lassen sich leicht die Gesamtabscheide- grade berechnen.

Wahrend fur das feine Kondensationsaerosol nur das Elektrofilter eine gute Gesamtabscheidung ermoglicht,

geniigt fur den Feinspruh bereits ein Drahtgestrickpaket und fur den Grobspruh sogar ein Fullkorperturm. Ein Abscheider ist also nur dann wirksam, wenn seine Ab- scheidekurve links von der Verteilungskurve der Tropfen- groRen verlauft. Man sieht hier deutlich, welche starke Steigerung des Aufwandes fur die Abscheidung diese rela- tiv harmlos erscheinenden Verfeinerungen der Tropfen- spektren zur FoIge haben; denn man mu13 vom billigen Fullkorperturm uber ein Drahtgestrickpaket zu einem teuren Elektrofilter ubergehen. Man kann grob sagen, daB eine Verfeinerung des Spektrums um den Faktor 10 auch mindestens eine Erhohung der Kosten um den Faktor 10 mit sich bringt. Dabei ist bereits vorausgesetzt, daB je- weils der optimale Abscheider gewahlt wurde. Dazu ist aber die Kenntnis von Tropfenspektrum und Fraktions- abscheidegrad erforderlich.

Zur Abscheidung von Tropfen aus einem Gasstrom eignen sich im Prinzip alle diejenigen Methoden, die man von der Staubabscheidung her kennt, also Zyklone, Wascher, Elektrofilter. Da aber einmal abgeschiedene Tropfen haf- ten bleiben und koaleszieren, kann man auch einfache Prallabscheider, wie Drahtgitter oder Lamellenbiindel,

Abb. 2. Tropfenspektren - (dargestellt als Ruckstands- summenkurve: R als Funktion des Tropfendurchmessers d ; Kurve a: Kondensationsaerosol [Titan-Adage], Kurve b: Fein- spruh nach Endabsorber [SOa-Anlage], Kurve c: Grobspruh nach SOz-Trockner) und Fraktionsabscheidegrade q~ -. -. - . (Kurve I ; Elektrofilter, Kurve 2: Drahtgestrickpaket, Kurve 3: Fiillkorper- .tmq ).

benutzen. - Diese Arbeit beschrankt sich auf den Primar- vorgang der Abscheidung. Bei hohen Tropfenbeladungen (z. B. oberhalb 10 g/m9 wird zunehmend der Ablauf der abgeschiedenen Flussigkeit ein Problem [3]. Im folgenden beziehen sich alle TropfengroBen auf Schwefelsaure in Luft bei Normalbedingungen. Bei Umrechnungen auf andere Betriebszustande sind nur die entsprechend ande- ren Werte fur die Dichte des Tropfens e und die dynami- sche Zahigkeit des Gases p in die Formel einzusetzen.

Zyklone

Der wohl bekannteste Tragheitsabscheider ist der Zyklon. Das tangential eintretende Gas muR mehrere Umdrehun- gen ausfuhren, bevor es den Zyklon nach oben verlaBt.

Durch die hierbei auftretenden Fliehkrafte werden die Tropfen mehr oder weniger vollstandig an die AuBen- wand geschleudert, wo sie als Film nach unten ablaufen konnen. In Abb. 3 sind zu zwei Kleinzyklonen (6 1 In- halt, 150 mm Dmr. und 0,3 1 Inhalt, 70 mm Dmr.) ge-

504 Chemie-Iny.-Techn. 44. Jahry. 1972 1 N r . ti

1 o3 - k P mz

AP 1 0 2

20 .36

10' m 10' m3/h

a 10'

S t u f e

Abb. 4. Fraktionsabscheidegrade von Klein- zyklonen (Betriebspunkte s. Abb. 3; mit zusiitzlicher Wassereindiisung 40 l/h).

Abb. 3. Gemessene ( - - - - - ) und berechnete (-) Betriebs- punkte von Kleinzyklonen. Druckverlust d p als Funktion der DurchfluDmenge 8. a 0,3-l-Zylrlon, b 6-1-Zyklon.

messene und berechnete Betriebspunkte eingetragen. Die zugehorigen Fraktionsabscheidegrad-Kurven zeigt Abb. 4. Fur eine bestimmte TropfengroBe ist die Abscheidung Null, aber geniigend grol3e Tropfen werden vollstandig abgeschieden. Dabei werden immer um so feinere Tropfen abgeschieden, mit je grooerem Druckverlust man den Zylilon betreibt. Dust man in die Anlaufstrecke zum Zyklon zusatzlich noch Wasser ein, so erhohen diese Wasser- tropfen durch ihre Venturi-Wirkung die Abscheidung, wie in Abb. 4 bei 40 l/h Wassereindusung. Fur relativ kleine Gasdurchsatze sind somit Zyklone durchaus gute Abscheider.

Man kann die Darstellung vereinheitlichen, wenn man die Abscheidegrade nicht direkt uber der TropfengroBe auf- tragt, sondern uber einen dimensionslosen Parameter, der die TropfengroBe enthalt, s. Abb. 5 . d* ist dabei die Grenz- tropfengrooe, fur die die Abscheidung 50% sein sollte. Sie berechnet sich nach der Zyklon-Theorie aus dem Trag- heitsparameter

e ui dz wi 1) und dem Verhaltnis ,8 = - . Y 1 8 p r , Ui

Lamellenabscheider

Lamellenabscheider bestehen normalerweise aus senkrecht gestellten und horizontal durchstromten Profilplatten (aus Icunststoff oder Blech). Abb. 6 zeigt einige Typen. Sie unterscheiden sich hauptsachlich in der Profilform sowie in der Art der Fangrinnen. Die Gassenbreite betragt 1 bis 3 cm und lediglich bei Typ A einige hundert pm. Die Gassenlange ist das Mehrfache der Breite.

Die Leistungsfahigkeit eines Lamellenabscheiders kann man mit einer vereinfachten, aber anschaulichen Rech- nung abschatzen. Dazu sei ein einfaches Lainellenpaar mit der Gassenbreite s und dern Umlenkwinkel CL be- trachtet. Die Stromlinien des Gases mit der Geschwindig- keit v kann man dann grob als Kreisbogenstucke rnit einem Krummungsradius r annahern. Auf mitgefuhrte

1) Symbolverzeichnis am SchluB der Arbeit.

Ghemie-Inq.-Techn. 44. Jahrg. 1972 / Nr. 8

Abb. 5. Fraktionsabscheidegrade von Abb. 4 in dimensionsloser Darstellung (Zeichenerkliirung im Text).

Z z p " d 3 2 6 r

Fl iehkrof t

Reibungskroft ' W = 3 i t d , u v r '0 0.5 1 w a

Gleichgewicht Z = W

xj ~ t . Yr ar. t _ar r -7 p v 2 d 2 vr=-

18 jLcr

5 18p 5 .I: = PV2 piq

m

Abb. 6. Typen (A bis E) einiger Lamellenabscheider. Uberschlags- rechnung fur Abscheidung (Zeichenerkliirung im Text).

Tropfen wirken Fliehkrafte und Reibungskrafte, aus denen eine Radialgeschwindigkeit v, resultiert. I n der Durchgangszeit t wandert der Tropfen die Strecke s', so daB sich ohne Durchmischung als Abscheidegrad q das Verhaltnis der Sinkstrecke s' zur Gassenbreite ergibt ; denn in dieser Breite ist der austretende Strahl tropfen- frei. Verwendet man den Tragheitsparameter y, so kann man den Fraktionsabscheidegrad als lineare Funktion dieser dimensionslosen Kennzahl darstellen. Die Ab- scheidung wird also besser, wenn Trvpfendichte und -durchmesser, Durchstromgeschwindigkeit und Umlenk- winkel grol3 sind und die Gassenbreite klein ist. Beim realen Abscheider sind die oben angegebenen Voraus- setzungen naturlich nur annahernd erfullt.

Abb. 7 zeigt einige Stromungsaufnahrnen an Modellen im Wasserkanal. Das stromende Medium kommt wie immer von links. Die uberall sichtbaren Vorsprunge bil- den Totraume, in denen die abgeschiedene Flussigkeit durch Schwerkraft nach unten ablaufen kann. Durch die Einbauten wird der Strahl eingeschnurt und dadurch auch schneller. Fur die Rechnung muB man also in die Formel eine mittlere Geschwindigkeit und Gassenbreite einsetzen, die sich sehr von den Eingangsverhaltnissen unterscheiden konnen. Fast fier gesamte Druckverlust des Abscheiders wird dadurch verursacht, daB der Strahl

505

einschniirt, das Gas also beschleunigt werden muB. - Da- mit bei mehrstufigen Abscheidern die hinteren Stufen voll wirksam sein konnen, mussen die schnell an Tropfen ver- armenden Randzonen immer neu durchmischt werden. Ob dazu die Turbulenz und Wirbelbereiche ausreichen, weiB man noch nicht sicher.

Abb. 7. Stromungsaufnahmen an Lamellenabscheidern.

a) Re = 1,3 . 104, w o = 8 ni/s; b) Re = 7,5 . 103, z10 = 10 m/s; c) Re = 6 . 103 , vo = 6 m/s; d ) Re = 1,5 . 104, vo = 6 m/s.

100 "0

7 5 9

5 0

15

l- I I I 1 0 2 5 10 ,urn 20

P l 3 L Z a dH,SO,

Abb. 8. Gcmessene E'raktionsabscheidegrade von Lamellenab- scheidern;TypenA ( - - - - - ) , U (-.-.-. ) und E (-) aus Abb. 6 .

Parameter fiir A und D ist der Druckverlust d p , fur E dic An- stromgeschwindigkeit v.

In Abb. 8 sind die gemessenen Fraktionsabscheidegrad- Kurven der Typen A, D und E aus Abb. 6 uber der Trop- fengroBe aufgetragen, wobei der Parameter der Druck- verlust bzw. die Anstromgeschwindigkeit ist. - Beim Typ A betrug der Lamellenabstand nur einige hundert pm, und der Druckverlust war dadurch besonders hoch.

Dafiir werden aber auch noch Tropfchen unter 1 bis zu 80% abgeschieden. Nachteilig ist hier oft, daB sich die engen Lamellen durch mitgefiihrten Staub zusetzen. - Den Typ D kann man fur so feine Tropfen bereits nicht mehr benutzen. Trotzdem sind Lamellenabscheider fur Tropfen oberhalb ca. 5 bis 10 pm sehr wirksam und er- fordern nur wenig Pressung. - Die Kurven des Typs E stammen von einem mehrstufigen Abscheider. Bei Er- hohung der Anstromgeschwindigkeit verschiebt sich die Abscheidung wieder in den Feinbereich.

Anstatt zu jeder gemessenen Abscheidekurve die theore- tische Abscheidekurve einzutragen, sind in Abb. 9 die MeBwerte uber dem Tragheitsparameter y aufgetragen. I n dieser dimensionslosen Darstellung sollten nun samt- liche MeBpunkte gemeinsam auf den berechneten Ab- scheidekurven liegen, die nach den entsprechenden q- Formeln berechnet wurden. Das ist nur anniihernd der Fall. Der flachere Anstieg diirfte allerdings eine direkte Folge von Ungleichheiten der als streng konstant voraus- gesetzten Lamellenabstande sein. Am besten ist noch die

I00 "I.

75

PF 50

25

Abb. 9. Vergleich der gemessenen ( - - - - -) und berechneten (-) ~'raktionsabscheidegrade fur die Lamellenabscheider E, A und D.

Ubereinstimmung bei 50proz. Abscheidung. Hier sind die Abstande zu den Sollkurven am geringsten. Damit laljt sich naherungsweise der Grenztropfendurchmesser d* aus der Formel berechnen.

Bevor aus der verbleibenden Abweichung mit der An- stromgeschwindigkeit weitere Schliisse gezogen werden konnen, mulj neben einer Verfeinerung der Theorie auch eine uberpriifung der Zuordnung von Tropfengrolje und Abscheidestufe des Impaktors vorgenommen werden. Fur die praktische Arbeib bedeutet das keine Einschrankung, da man hier ohnehin meist auf Vergleichsmessungen angewiesen ist.

Drahtgestrickpakete

Abb. 10 zeigt eine Drahtlage; die Drahtstarke betragt 240 bis 270 pm, die 'Maschenweite z. B. 3 x 3 mm. Das gesamte FiIter baut sich aus 50 bis 100 Einzellagen auf,

506 Chemie-Ing.-Techn. 44. Jalwy. 1812 Nr . 8

die meist noch profiliert sind und mit einem mittleren Abstand von ca. 2 mm iibereinandergelegt sind. Oblicher- wcise lagert man das Filter horizontal, z. B. iiber be- rjeselte Fiillkorperkolonnen. Das tropfenbeladene Gas

-

& : 610 :f lyl

vpd2 n.1 71[ = P I E no 1 I ) - l - e - n W y' 1 8 p n F -

rn

Abb. 10. Drahtgestrickpakete ; Abscheidung am Einzeldraht (Zeichenerklarung im Test).

..... Zylinder, ~ Kugeln, - - - - - Bander, -. -. -. Scheiben.

dnrchstromt dann von unten das Filter rnit 2 bis 5 m/s. Die abgeschiedene Fliissigkeit bildet auf den Drahten einen Film, der in Zwickeln zusammenlauft und dem Gasstrom entgegen nach unten abtropfen mug. Bei der Haftung der auftreffenden Tropfen konnte die Benetzung der Drahte eine Bedeutung haben. Fur die Wirksamkeit eines Drahtgestrickpakctes ist jedoch die Ausbildung eines sog. ,,Sprudelbettes" weder erforderlich noch er- wiinscht.

Wie bereits erwiihnt, sind Drahtfilter Prallabscheider. Bei der Umstromung eines Drahtes fliegen die Tropfchen infolge Tragheit nach vorn weiter und werden vom Draht aufgefangen, und zwar um s o besser, je grol3er Anstrom- geschwindigkeit v und TropfengroBe d sind. Bei einem bestimmten v und d gibt es im ungestorten Feld zwei Stromlinien im Abstand 6, innerhalb denen alle Tropfen auf die Drahtoberflache auftreffen, wahrend die Tropfen augerhalb am Draht vorbeifliegen. Maximal kann 6 gleich dem Drahtdurchmesser D werdeii, der Abscheidegrad E

ist also 6/D.

Der Verlauf des Abscheidegrades E einer Einzelfaser (und auch von Xcheiben, Kugeln und Bandern) ist VOII vielen Autoren gemessen und berechnet worden. Von gewissen Variationen abgesehen, gibt E , aufgetragen iiber dem Tragheitsparameter, eine einzige Kurve [4]. Betrachtet man nun naherungsweise die Abscheidung im Drahtfilter

Abb. 11. Gemessene Abscheidegrade am Drahtgestrickpaket.

Chemie-Ing.-Techn. 44 . Jahrg. 1972 / Nr. 8

als die Summe der Abscheidung an isolierten Einzel- drahten, so kann man den Fraktionsabscheidegrad des Filters berechnen [2]. 1st p , die relative Projektionsflache einer Drahtlage und E der Fraktionsabscheidegrad des Einzeldrahtes, so ist der Fraktionsabscheidegrad einer Drahtlage gleich VF = pl& und der eines Filters aus n gleichen Lagen

qp = 1 - e-np,E . In Abb. 11 sind die Abscheidekurven eines Pakets aus 40 Lagen von 0,25 mm dicken Drahten (l'rojektionsflache

Abb. 12. Vergleich der gemessenen und berechneten (-) Fraktionsabscheidegrade am Drahtgestrickpaket.

10 prn 20 0 . 3 0 . 5 1.0 2 5 d

Abb. 13. Gemessene Abscheidegrade am Drahtgestrickpaket, mit, Polyte trafluorathylen-Fasern.

0.1 0.2 0.5 1.0 2 1833L2111 vv

Abb. 14. Vergleich der MeBwerte von Abb. 13 mit der berechno- ten Abscheidung (-) am Drahtgestrickpaket ohne Poly- tetrafluorathylen-Fasern. (Der gestrichelte Bereich gibt die Lage der friiheren MeBwerte wieder.)

p , = 0,3) uber der TropfengroBe aufgetragen. Bei der dimensionslosen Auftragung mit y in Abb. 12 sollten alle MeBpunkte auf der nach obiger Formel berechneten Ab- scheidekurve liegen. Das ist annaherungsweise erfiillt, fur die Abweichungen gelten ahnliche Griinde wie bei den Lamellenabscheidern (vgl. auch [ 2 ] ) .

Fur Tropfenabscheidungen im Bereich zwischen 1 und 10 pm wird man i. a. Drahtgestrickpakete Lamellen- abscheidern vorziehen. Eine weitere Verbesserung der Abscheidung bis teilweise in den Bereich unter lpm hinein kann man erzielen, wenn die Drahte mit feinen (20 his 50 pm dicken) Kunststoff-Fasernumflochten sind. Abb. 13 zeigt die Fraktionsabscheidegrad-Kurven. In Abb. 14

507

sind die MeBpunkte uber p aufgetragen, wobei p mit der Drahtstarke und nicht mit der Faserstarke berechnet wurde. Die Abscheidung ist besser, als die Berechnung fiir das als Stutzgerust fungierende Drahtgestrickpaket allein ergibt. Das ist der Wirkung der Fasern zuzuschrei- ben.

Wenn sich durch langeren Gebrauch oder durch mecha- nische Beanspruchung die feinen Fasern teilweise zu- sammenlagern, gehen erwartungsgemafi Druckverlnst und Abscheideleistung etwas zuriick. Der Verlauf der MeBpunkte zeigt, daI3 die Fasern als Prallabscheider wirken. Auch theoretisch kann man leicht nachweisen, daB hier die Diffusionsabscheidung, die bei reinen Faser- filtern im Bereich unter 1 ,urn iiberwiegt, noch keine Rvlle spielt . Untersuchungen an derartjgen Filtern sind noch nicht abgeschlossen und sollen daher hier nicht diskutiert werden.

Neben Faserfiltern sind Wascher und Elektrofilter wirk- same Abscheider im Bereich unter 1 pm.

Wascher

In einem Wascher wird Fliissigkeit zu feinen Tropfen zerstaubt, die dann vom aerosol-beladenen Gas umstromt werden. Dabei prallen die Aerosol-Teilchen auf die Trop- fen auf. Die Abscheidung geschieht also im Prinzip wie bei einer umstromten Einzelfaser, nur mit dem Unter- schied, daB die Faser immer stationiir ist, wahrend die Tropfen vom Gasstrom mitgenommen werden, so daB die Relativgeschwindigkeit schlieI3lich Null wird und keine Abscheidung mehr moglich ist. Feine Tropfen ver- lieren ihre Relativgeschwindigkeit schneller als groBe, die andererseits weniger abscheidewirksam sind. Bei den meisten Waschern strebt man daher TropfengroBen zwi- schen 50 und 200 pm an; sie sind jedoch nicht genau be- kannt, so daB hier wirkliche Berechnungen des Abscheide- grades noch fehlen [5 ] .

Dagegen gelang es nach Entwicklung der Fliehkraft- waage fur KorngroBenbestimmung im Bereich unter 1 ,urn relativ muhelos, fur die bekanntesten Waschertypen die Fraktionsabscheidegrade von einigen Teststauben experi- mentell zu ermitteln [6, 71. Obwohl wegen der geringen Zahl der im Feinbereich arbeitenden Impaktorstufen dort der Kurvenverlauf nicht genau gemessen werden kann, bestatigten Tropfenmessungen den guten Abscheidegrad von Waschern. Als Beispiel sind in Abb. 15 und 16 zwei Venturi-Wascher angefuhrt. Allerdings haben Venturis

auch einen recht hohen Druckverlust. Das zu reinigende Gas wird namlich durch eine Diise auf hohe Geschwindig- keit gebracht, so daB der Strahl z. B. beim Ventnri das in der Kehle eingespritzte Waschwasser zerstauben kann. Die Tropfen miissen dann am Wascherausgang durch einen Lamellenabscheider wieder abgefangen werden.

Rohgas

Reingos 50,

WL2fl d

Abb. 16. Gemessene Fraktionsabscheidegrade am Venturi-Wii- scher fur kleine Durchsatze.

Wegen des hohen Druckverlustes und des Wasserver- brauchs werden Wascher als reine Tropfchenabscheider relatfiv selten benutzt . Hervorragend geeignet sind sie je- doch als kombinierte Staub-, Tropfchen- und Gasab- scheider .

Ele ktrofilter

Fur die Entfernung von Tropfchen mit Durchmessern < 2 pm werden in groBem MaBstab Elektrofilter ver- wendet. Da die niedergeschlagene Fliissigkeit als Film ablauft, entfallen alle die bei der Staubabscheidung auf- tretenden Schwierigkeiten.

Die modernen Rohrenfilter haben axial gespannte Spruh- drahte. Die von uns untersuchte altere Anordnung be-

Trapfenlodung Q = $ E . I [ U K \ . . . . U'=n'e_1O6de

L5zoo4 Feldstarke € 2 : 810' b h

25PLattenJ221,Drahte Elektrische Krolt K,=QE

Reibungskraf t W = 3 n,udw

geschwindiqkei t 1 2 .Cp wf

Abscheidegrad q = 1 - e n

Wonderungs- w _ d € 2 . f [ D K I

I I I 2 5 pm 10 d

Abb. 15. Gemessene Fraktionsabscheidegrade am Venturi-Wii- scher fiir hohe Durchsiitze.

Abb. 17. Elektrofilter (Platten-EGR); Abscheideformeln; ge- messene und berechnete Abscheidegrade.

w = 0,36m/s, 19 mA: 0 MeBpunkte, __ berechnet mit Q , ...._ berechnet rnit Q'; w = 0,63 m/s, 8 mA: o MeBpunkte, -.-.-. bereohnet mit Q. -. . ~ .. berechnet mit Q'.

508 Chernie-Ing.-Techn. 44. Jahrg. 1972 1 N r . 8

stand aus 25 geerdeten Platten und 224 zentral in den Gassen aufgehangten Spriihdrahten.

Abb. 17 zeigt eine von unten nach oben vom Gas mit der Geschwindigkeit u durchstromte Gasse. Der hochaufge- ladene Draht spriiht negative Ladungen ab, die sich an die Tropfen anlagern. Fur Tropfen > 1 bis 2 pm Dmr. ist die Tropfenladung Q der Feldstarke E und dem Quadrat des Durchmessers d proportional, darunter nur dem Durch- messer d. Die Feldstarke zwischen Draht und Platte ist eine Funktion des Entladungsstromes, der Abstande D' Draht/Platte und h DrahtIDraht sowie der Ionenbeweg- lichkeit b [8] . Die elektrische Kraft Q + E gibt zusammen mit der Stokesschen Reibungskraft dem Tropfchen eine Drift- geschwindigkeit w, die in der GroBenordnung von cm/s liegt. Bei Abwesenheit jeglicher Mischvorgange ware der Abscheidegrad YF = wL/vD' , mit L als Plattenhohe. In- folge des durch die Corona-Entladung erzeugten elek- trischen Windes wird das Gas jedoch standig durch- mischt. Damit wird auch hier die Abscheidung eines Tropf- chens ein statistischer Vorgang, und der Abscheidegrad 7 ist gegeben durch die Formel

'yip = 1 - e-wLlvD' . In Abb. 17 sind fur zwei Betriebsbedingungen die gemes- senen und die nach den beiden Aufladeformeln berechne- ten Fraktionsabscheidegrad-Kurven aufgetragen. Be- triebliche Grunde verhinderten ein weitergehendes MeB- programm. In der Tendenz jedoch bestatigt die Messung die Theorie. Auffallend ist die starke Abhangigkeit der Abscheideleistung von der Belastung des Filters, also der Gasgeschwindigkeit.

Fur die Ausfuhrung der Messungen sind wir Herrn J. Wiclder zu Dank verpflichtet.

Eingegangen am 23. November 1971 [B 33421

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Formelzeichen

b D D' D K d d*

E h i L n n'

e

A P iu' Q Q, Q' r ri S

Se

S r

t Ui 21

V e

vi Z'O

Vr

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Ionenbeweglichkei t Drahtdurchmesser Abstand Spruhdraht/Platte Dielektrizitatskonstante Tropfendurchmesser Grenz tropfendurchmesser Elemen tarladung Feldstarke Abstand der Spruhdrahte Stromstarke pro Drahtlange Plattenlange Lagenzahl Ladungszahl auf Tropfen Druckverlust relative Projektionsflache einer Drahtlage DurchfluDmenge Tropfenladung Krummungsradius Tauchrohrradius Lamellenabstand effektiver Lamelienabstand Sinkweg Tropfen Durchstromzeit Umfangsgeschwindigkeit bei ri Anstromgeschwindigkeit bzw. Durchstromgeschwindigkeit effektive Durchstromgeschwindigkeit Radialgeschwindigkeit Anstromgeschwindigkeit vor dem Abscheider Zentrifugalgeschwindigkeit Wanderungsgeschwindigkeit Reibungskraft Fliehkraft Umlenkw in kel

Grenzbahnenabstand Fraktionsabscheidegrad der Einzelfaser Abscheidegrad Fraktionsabscheidegrad Dynamische ZBhigkeit des Gases Dichte des Tropfens Stokesscher Tragheitsparameter

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Chemie-Ing.-Techn. 44. Jahng. I972 I Nr. 8 509