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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von festen Partikeln aus einem Gas-Feststoff-Gemisch oder von flüssigen Partikeln aus einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch in einem Zyklon, bei welchem das zu trennende Gemisch als Hauptströmung durch einen Einlaufkanal in einen Abtrennbehälter eingeführt und dort in eine Gasphase und eine Feststoff- bzw. Flüssigkeitsphase getrennt wird. Dabei wird die Feststoff- bzw. Flüssigkeitsphase durch die Fliehkraft an die Wände des Abtrennbehälters gedrückt und am unteren Ende des Abtrennbehälters abgezogen. Die Gasphase wird durch ein Tauchrohr nach oben aus dem Zyklon abgeführt. Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Zyklon mit einem Einlaufkanal, einem Abtrennbehälter mit Zylinderdeckel und einem Tauchrohr.
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Verfahren zur Abtrennung von festen Partikeln aus Gas-Feststoff-Gemischen und Zyklone hierfür sind an sich bekannt. Beim Einführen eines Gas-Feststoff-Gemischs in einen Abtrennbehälter bildet sich entlang des Deckels i. d. R. ein sekundärer Volumenstrom aus, da der Hauptstrom an seinem Randbereich durch den feststehenden Deckel abgebremst wird. Dieser sekundäre Volumenstrom ist neben der Wiederaufwirbelung von Feststoff am unteren Ende des Abtrennbehälters die Hauptursache für unerwünschte Feststoffströme, die mit dem gereinigten Gas aus dem Gasaustritt ausströmen. Eine Veröffentlichung im
VDI-Wärmeatlas, 10.Auflage, 2006, S. Lcd8, Formeln (49) und (50) gibt Auskunft darüber, wie dieser sekundäre Volumenstrom, der hauptsächlich Staub transportiert, berechnet werden kann. Weitere Veröffentlichungen wie
Missalls, M.: "Berechnungsverfahren für hochbeladene Zyklone", Hamburg, adlibri Verlag 2009, Dissertation Technische Universität Braunschweig 2008, und
Morweiser, M.: "Einfluß von Druck und Temperatur auf Trenngrad und Druckverlust von Aerozyklonen", Aachen: Shaker Verlag, Dissertation Technische Universität Braunschweig, 1998, gehen darauf ein, wie der sekundäre Volumenstrom durch die Variation der Gestalt des Zyklons vermindert werden kann. Hierbei können insbesondere der Einlauf, die geometrische Form des Zyklonkörpers selbst, die Gestalt des Tauchrohrs sowie die Form der Feststoffaustrittsöffnung variiert werden. Einen Ansatz, wie der sekundäre Volumenstrom verhindert werden kann, gibt dieser Stand der Technik nicht.
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Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sekundären Volumenstrom entlang des Zylinderdeckels zu verhindern und dadurch den Abtrenngrad eines Verfahrens und eines Zyklons hierfür zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in unmittelbarer Nähe unterhalb des Zylinderdeckels eine teilchenfreie oder teilchenarme Gasströmung erzeugt und dort rotiert wird. Durch dieses Vorgehen wird die Grenzschicht am Zylinderdeckel so modifiziert, dass der im Gas-Feststoff-Gemisch enthaltene Feststoff nicht durch eine langsame Grenzschicht im Bereich des Deckels abgebremst wird. Der Feststoff folgt daher nicht dem Druckgradienten zwischen Hauptströmung und sekundärem Volumenstrom, sondern wird in der Hauptströmung behalten und im Abtrennbehälter abgeschieden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Zylinderdeckel und der Hauptströmung des eingeführten Gas-Feststoff-Gemischs ein teilchenfreies oder teilchenarmes Gas durch mindestens eine Düse in den Zyklon eingedüst wird. Dadurch kann weniger Feststoffstrom entlang des Zylinderdeckels zum Tauchrohr gelangen. Vorteilhafterweise ist der teilchenfreie oder teilchenarme Gasstrom so groß, dass die sich ergebende Gasschicht am Zylinderdeckel die ganze Zylinderdeckelfläche bedeckt. Eine „teilchenarme Strömung” im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet eine Strömung, deren Beladung kleiner oder gleich der (gewünschten) Beladung im Abgas des Zyklons ist.
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Um weiterhin zu verhindern, dass sich ein sekundärer Volumenstrom am Zylinderdeckel ausbildet, wird vorteilhafterweise unterhalb des Zylinderdeckels eine drehbar gelagerte Scheibe rotiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Tauchrohr rotiert, wodurch verhindert wird, dass sich ein Feststoffstrom entlang des Tauchrohrs ausbildet.
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Um Verwirbelungseffekte und damit ungewünschte Vermischungen zwischen dem Sperrgas und der Hauptströmung zu verhindern, erfolgt die Einspeisung der teilchenfreien oder teilchenarmen Gasströmung und/oder die Rotation der Scheibe und/oder des Tauchrohres erfindungsgemäß im Drehsinn der in den Zyklon eingeführten Hauptströmung. Die Einspeisung des teilchenfreien oder teilchenarmen Gases erfolgt dabei bevorzugt parallel zur Hauptströmung.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zusätzlich zu der Rotation der Scheibe unterhalb des Zylinderdeckels das teilchenfreie oder teilchenarme Gas zwischen den Zylinderdeckel und die drehbare Scheibe eingedüst werden. Hiermit wird eine teilchenfreie oder teilchenarme Gas-Sperrschicht zwischen die Hauptströmung und den Zylinderdeckel gelegt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden teilchenfreien oder teilchenarmen Gasströmung und/oder der drehbar gelagerten Scheibe und/oder des drehbar gelagerten Tauchrohrs gleich oder größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit der Hauptströmung des Gas-Feststoff-Gemischs. Es ist insbesondere bevorzugt, dass diese teilchenfreie oder teilchenarme Gasschicht eine größere Umfangsgeschwindigkeit als die Hauptströmung aufweist, vorzugsweise > 100% bis 200% der Umfangsgeschwindigkeit der Hauptströmung.
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Insbesondere durch die rotierende Scheibe und/oder das rotierende Tauchrohr wird eine ruhende Grenzschicht am Zylinderdeckel vermieden. Es besteht so im Wesentlichen die Hauptströmung im Zyklon, in welcher der Feststoff nach außen und das Gas nach innen getragen wird.
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Aus konstruktiven Gründen kann es vorteilhaft sein, wenn das Tauchrohr und die Scheibe fest miteinander verbunden sind und gemeinsam rotieren. Dabei kann der Außendurchmesser der Scheibe vom Außendurchmesser des Tauchrohres bis zum Innendurchmesser des Abtrennbehälters variieren.
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In dem Fall, dass zu der rotierenden Scheibe und/oder dem rotierenden Tauchrohr ein teilchenfreies oder teilchenarmes Gas eingeführt wird, wirkt dieses Gas als Sperrgas oberhalb der rotierenden Scheibe. Hierdurch ist es möglich, die Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe und/oder des Tauchrohres langsamer zu wählen als die der Hauptströmung., denn hierbei wird durch das teilchenfreie oder teilchenarme Gas wiederum eine Gas-Sperrschicht entlang des Deckels eingestellt. Der Feststoff wird durch diese Sperrschicht in die Hauptströmung abgedrängt und dort abgeschieden.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Zyklon, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er Mittel zur Erzeugung einer rotierenden teilchenfreien oder teilchenarmen Gasströmung unterhalb des Zylinderdeckels aufweist.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Zyklons ist mindestens eine Düse in unmittelbarer Nähe des Zylinderdeckels am oder im Einlaufkanal angebracht. Durch diese Düse/n kann ein teilchenfreies oder teilchenarmes Gas an geeigneter Stelle optimal eingedüst werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass unterhalb des Zylinderdeckels eine drehbar gelagerte Scheibe vorgesehen ist. Ebenso hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn auch das Tauchrohr drehbar gelagert ist.
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Um den Effekt weiter zu verstärken, kann die drehbar gelagerte Scheibe fest mit dem Tauchrohr verbunden sein, so dass Scheibe und Tauchrohr gemeinsam rotieren.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung und den Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen schematisch:
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1 eine Darstellung des Zyklons nach einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Darstellung des Zyklons nach einer zweiten Ausführungsform,
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3 eine Darstellung des Zyklons nach einer dritten Ausführungsform,
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4 eine Darstellung des Zyklons in einer Kombination der zweiten und dritten Ausführungsform und
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5 eine Darstellung des Zyklons in einer Kombination der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform.
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Der in den Zeichnungen dargestellte erfindungsgemäße Zyklon 1 dient zur Abtrennung von festen Partikeln aus einem Gas-Feststoff-Gemisch. Das Gemisch wird in eine Gasphase und eine Feststoffphase aufgetrennt, wobei es sich jeweils um Mischphasen mit kleinerem bzw. größerem Feststoffanteil handelt.
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Der Zyklon 1 umfasst in der in 1 abgebildeten ersten Ausführungsform einen Einlaufkanal 2, einen Abtrennbehälter 4 mit Zylinderdeckel 3 und ein Tauchrohr 5. Durch den Einlaufkanal 2 wird ein Gas-Feststoff-Gemisch 6 in Richtung des Pfeils in den Abtrennbehälter 4 eingebracht. Durch mindestens eine von dem Einlaufkanal 2 getrennte Düse 7 wird ein im Wesentlichen teilchenfreies bzw. zumindest teilchenarmes Gas direkt unterhalb des Zylinderdeckels 3 in den Abtrennbehälter 4 eingeführt. Die Zuführung des Gases erfolgt bevorzugt parallel zur Hauptströmung des Gas-Feststoff-Gemischs mit einer Geschwindigkeit, die bis zu 200% der Umfangsgeschwindigkeit der Hauptströmung beträgt. Die teilchenfreie oder teilchenarme Gasströmung bildet unterhalb des Zylinderdeckels 3 eine Gas-Sperrschicht für die Feststoffphase der Hauptströmung aus, so dass diese von dem Zylinderdeckel ferngehalten wird. Damit wird eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Feststoffphase verhindert. Zudem wird vermieden, dass sich eine sekundäre Volumenströmung unterhalb des Zylinderdeckels 3 ausbildet, welche durch das Tauchrohr 5 in das gereinigte Gas gelangen kann.
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Die durch den Einlaufkanal 2 in den Abtrennbehälter 4 einfließende Hauptströmung wird in dem Abtrennbehälter 4 in Rotation versetzt. Die Fliehkräfte drücken die Teilchenphase aus dem Gemisch an die Wandung des Abtrennbehälters 4, so dass sich die abgeschiedenen Teilchen im unteren Bereich des Abtrennbehälters 4 sammeln und von dort abgezogen werden können. Das von der Teilchenphase befreite Gas hingegen wird durch das Tauchrohr 5 nach außen, vorzugsweise nach oben, abgezogen. Dabei hat der Abtrennbehälter 4 bevorzugt einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, der sich nach unten hin verjüngt, insbesondere kegelförmig ausgebildet ist. Die Dimensionen des Zylinders werden in geeigneter Art und Weise an die Prozessbedingungen und das zu trennende Gas-Feststoff-Gemisch angepasst.
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Um Verwirbelungseffekte und damit ungewünschte Vermischungen zwischen dem Sperrgas und der Hauptströmung zu verhindern, wird die teilchenfreie oder teilchenarme Gasströmung vorzugsweise im Wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Hauptströmung des Gas-Teilchen-Gemischs in den Zyklon eingedüst.
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In der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform wird auf das Eindüsen einer zusätzlichen teilchenfreien oder teilchenarmen Gasströmung verzichtet. Stattdessen ist unterhalb des Zylinderdeckels 3 eine Scheibe 8 drehbar gelagert, die sich insbesondere in der gleichen Umlaufrichtung wie die Hauptströmung des Gas-Feststoff-Gemischs dreht. Die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Scheibe 8 beträgt 100% bis 200% der Umfangsgeschwindigkeit der Hauptströmung.
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Ähnlich wie die teilchenarme oder teilchenfreie Gasströmung der ersten Ausführungsform verhindert die rotierende Scheibe 8 die Ausbildung eines sekundären Volumenstroms aus feststoffreicher Phase und trägt somit ebenfalls zur Verbesserung der Abtrennleistung des erfindungsgemäßen Zyklons bei.
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3 stellt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der ähnlich der zweiten Ausführungsform auf eine zusätzliche teilchenfreie oder teilchenarme Gasströmung verzichtet wird. Bei dieser Ausführungsform wird das Tauchrohr 5 in der Richtung der Hauptströmung des Gas-Feststoff-Gemischs rotiert. Auf diese Weise wird eine weitgehend ruhende Grenzschicht unterhalb des Zylinderdeckels 3 und damit die Ausbildung einer sekundären Volumenströmung mit feststoffhaltiger Phase vermieden. Durch das rotierende Tauchrohr 5 wird zudem verhindert, dass sich diese sekundäre Volumenströmung mit feststoffhaltiger Phase an dem Tauchrohr 5 entlang zieht und in das gereinigte Gas gelangt, welches durch das Tauchrohr 5 abgezogen wird.
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Um die Vorteile der rotierenden Scheibe und des rotierenden Tauchrohrs miteinander zu verknüpfen, wird in einer weiteren Ausführungsform, die in 4 schematisch dargestellt ist, die drehbar gelagerte Scheibe 8 mit dem drehbar gelagerten Tauchrohr 5 fest verbunden.
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Die in 5 dargestellte Ausführungsform stellt eine Kombination der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform dar. Hierbei ist die drehbar gelagerte Scheibe 8 nicht nur fest mit dem drehbar gelagerten Tauchrohr 5 verbunden, sondern es wird zusätzlich über die mindestens eine Düse 7 eine teilchenfreie oder teilchenarme Gasströmung zwischen den Zylinderdeckel 3 und die Scheibe 8 eingedüst, welche dort eine Sperrgasströmung 9 erzeugt. Dabei kann die mindestens eine Düse 7 sowohl seitlich an dem Abtrennbehälter 4 unterhalb des Zylinderdeckels 3 als auch von oben in dem Zylinderdeckel 3 angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf die Abtrennung von festen Partikeln aus einem Gas-Feststoff-Gemisch näher beschrieben. Es ist jedoch ebenso gut möglich, dass anstelle von Feststoffpartikeln Flüssigkeitstropfen vorliegen können und in einem leicht modifizierten Zyklon (Hydrozyklon) die Abtrennung dieser Flüssigkeitstropfen aus einem Gas-Flüssigkeit-Gemisch (Aerosol) durchgeführt wird. Folglich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf einen Hydrozyklon anwendbar, bei dem eine trockene, von Flüssigkeitstropfen im Wesentlichen freie Gasströmung dazu verwendet wird, das Aerosol von einem Zylinderdeckel oder dergleichen fernzuhalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Zyklon können überall dort eingesetzt werden, wo Teilchen (feste Partikel, Flüssigkeitströpfchen) einer mehrphasigen Strömung unerwünschte Reibung an einer Behälterbegrenzung (z. B. Zylinderdeckel, Behälterwand) erfahren, dadurch abgebremst werden und die Abtrennleistung beeinträchtigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zyklon
- 2
- Einlaufkanal
- 3
- Zylinderdeckel
- 4
- Abtrennbehälter
- 5
- Tauchrohr
- 6
- Gas-Feststoff-Strömung
- 7
- Düse
- 8
- drehbar gelagerte Scheibe
- 9
- teilchenfreie oder teilchenarme Gasströmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- VDI-Wärmeatlas, 10.Auflage, 2006, S. Lcd8, Formeln (49) und (50) [0002]
- Missalls, M.: ”Berechnungsverfahren für hochbeladene Zyklone”, Hamburg, adlibri Verlag 2009, Dissertation Technische Universität Braunschweig 2008 [0002]
- Morweiser, M.: ”Einfluß von Druck und Temperatur auf Trenngrad und Druckverlust von Aerozyklonen”, Aachen: Shaker Verlag, Dissertation Technische Universität Braunschweig, 1998 [0002]
