DE3535901A1 - Vorrichtung zum agglomerieren von in einer mehrphasenstroemung mitgefuehrten fluessigkeits- und/oder festteilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Agglomerieren von in einer Mehrphasenströmung mitgeführten Flüssigkeits- und/oder Festteilchen, um die durch die Agglomeration vergrößerten Flüssigkeits- und Festteilchen nachträglich aus der Mehrphasenströmung abscheiden, d. h. entfernen zu können.

Es ist üblich, aus einer Mehrphasenströmung Flüssigkeits- und/oder Festteilchen durch Trägheitsabscheidung an Fasern, Gestricken, Geflechten oder dgl. zu agglomerieren und anschließend große Tropfen abzuscheiden (Prospekt der Firma Symalit, PE/3.1/01, Ausgabe 4/84).

Ferner ist ein Agglomerieren durch Beschallung, welche die Querbeweglichkeit der Teilchen erhöht und dadurch eine Agglomeration fördert, durch Turbulenzmechanismen, bei denen die Teilchen zwischen planparallelen, aufgerauhten Platten eine erhöhte Quergeschwindigkeit erhalten, durch Zentrifugalkraft, wobei ein rotierendes System hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Teilchen und Abscheideflächen erzeugt, durch Ionisation oder durch elektrische Aufladung der Teilchen bekannt.

Alle diese herkömmlichen Agglomerationsverfahren arbeiten stochastisch, d. h. nach Zufallsprinzipien: das Auftreffen des einzelnen Teilchens auf andere Teilchen oder auf Abscheideflächen bzw. -körper erfolgt zufällig und unkontrolliert. Der Agglomerationsgrad der bekannten Systeme ergibt sich aus der statistischen Wahrscheinlichkeit eines Einzelereignisses.

Bei allen herkömmlichen Agglomerationsverfahren müssen daher den Tröpfchen oder Partikeln viele Anlagerungsmöglichkeiten nacheinander angeboten werden, um im statistischen Mittel eine zufriedenstellende Agglomeration zu erreichen. Dies führt zu einem großen Bauaufwand und gleichzeitig zu hohen Druckverlusten der Mehrphasenströmung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine Agglomeration der Teilchen mit wenig Bauaufwand bei minimierten Druckverlusten erzielbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

Die Erfindung ermöglicht prinzipiell die Verwendung von herkömmlichen Tropfenabscheidern, die jedoch nicht zur Tropfenabscheidung im üblichen Sinne, d. h. zu einem möglichst vollständigen Auffangen und Ableiten der abgeschiedenen Flüssigkeit benutzt werden, sondern mit einer solchen Geschwindigkeit betrieben werden, daß die auf den Abscheideflächen der Tropfenabscheider abgeschiedenen Teilchen am Ende der Tropfenabscheider agglomeriert und als große Tropfen von den Austrittskanten abgerissen werden. Bei der Erfindung sollen also die von der Strömung mitgeführten Teilchen im Ergebnis am Austritt der Abscheideplatten wieder abgegeben werden, d. h. die Vorrichtung vollständig passieren, was also konträr zur üblicherweise angestrebten Wirkung von Tropfenabscheidern ist. Die am Austritt der Vorrichtung agglomerierten großen Tropfen können dann in herkömmlicher Weise wie bei den üblichen Agglomerationsverfahren auch aufgefangen werden.

Bei dem Konzept nach der Erfindung kann auf bekannte Tropfenabscheiderkonzepte zurückgegriffen werden, wie sie in jüngerer Zeit bekannt geworden sind (DE-PS 33 30 533, DE-OS 34 06 425), wobei jedoch die Dimensionierung der Abscheideplatten in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit so getroffen werden muß, daß eine zum Erzielen der oben beschriebenen Wirkung ausreichende Strömungsgeschwindigkeit, die sogenannte "Durchbruchsgeschwindigkeit" erreicht oder übertroffen wird. Diese Durchbruchsgeschwindigkeit ist definiert als diejenige Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungskanälen zwischen den einzelnen Abscheideplatten, bei der die Schleppkräfte der Gasströmung den auf den Abscheideflächen sich bildenden Flüssigkeitsfilm zur Austrittskante der Abscheideplatten treibt und die dort abgeschiedenen großen Tropfen von der Gasströmung wieder mitgerissen werden.

Spezifische Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung ergeben sich daraus, daß aufgrund der systematischen Anordnung von Umlenk- und Abscheideflächen an den Abscheideplatten erreicht ist, daß jeweils auf definierten Strömungsbahnen Teilchen abgeschieden werden. Die Erfindung arbeitet also nicht nach Zufallsprinzipien, so daß die Anzahl der Anlagerungsmöglichkeiten (Umlenkung und Abscheideflächen) minimiert werden kann. Dies führt zu minimalen Druckverlusten.

Ein weiterer wichtiger Vorteil liegt darin, daß die Vorrichtung nach der Erfindung eine relativ grobe Struktur und damit eine geringe Verkrustungs- bzw. Verstopfungsgefahr sowie eine gute Reinigungsmöglichkeit bietet.

Beim Einsatz in Hochgeschwindigkeitssystemen mit Anströmgeschwindigkeiten von 3 bis 30 ms^-1 ergibt sich ein geringer Strömungsquerschnitt und damit geringer Raumbedarf, der den Einbau in vergleichsweise enge Rohre ermöglicht.

Wird die im Anspruch 2 angegebene Formel für die Dimensionierung des freien Abstandes zwischen zwei Platten angewendet, so ist sichergestellt, daß alle ursprünglich in der Strömung vorhandenen Tropfen mit einem Druckmesser von mindestens d _T abgeschieden, als Flüssigkeitsfilm zu den Austrittskanten der Abscheideplatten geschleppt und dort als Agglomerate von der Strömung mitgerissen werden.

Die im Anspruch 2 angegebene Formel läßt sich mit

ρ _T = 10³ kg/m³

η _G = 1,9 × 10^-5 Ns/m²

α = 45° = π/4

wie folgt umschreiben:

s = 2,3 · 10⁶ · d _T ² · c

Damit ist der freie Abstand s bei gewähltem Umlenkwinkel und bei bekannten Stoffgrößen eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit c zwischen den Abscheideplatten und dem Tropfendurchmesser d _T .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung, insbesondere die Ausbildung der übrigen Abmessungen der Abscheideplatten nach Bestimmung des freien Abstandes s gemäß der Formel nach Anspruch 2, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zweier Abscheideplatten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit allgemein darin eingetragenen wichtigen Abmessungen;

Fig. 2 bis 6 Ausführungsbeispiele für Vorrichtungen gemäß der Erfindung mit je einer Reihe von Abscheideplatten;

Fig. 7 bis 9 Ausführungsbeispiele mit zwei bzw. drei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Reihen von Abscheideplatten.

Sämtliche dargestellten Vorrichtungen werden in der Zeichnung gesehen von unten angeströmt, d. h. haben unten ihren Eintritt und oben ihren Austritt, an dem die von der unten eintretenden Mehrphasenströmung mitgeführten Flüssigkeits- und/oder Festteilchen als Agglomerate wieder ausgetragen werden.

Anhand der Vorrichtung nach Fig. 1 seien nun die wesentlichen Abmessungen der Abscheideplatten 1 bzw. der dazwischen befindlichen Strömungskanäle 2 erläutert. Im Eintrittsbereich haben die Abscheideplatten 1 einen freien Abstand s, wobei sich s aus der Gleichung errechnet. Die Breite b der Abscheideplatten im Eintrittsbereich liegt zwischen liegt 0,1 s und 3 s, bevorzugt im Bereichzwischen 1 s und 2 s.

Die Länge l _e des Eintrittsbereiches kann in der Praxis zwischen 0 s und 3 s, vorzugsweise 1 s und 2 s liegen. Anschließend folgt eine Umlenkung bei 3, welche in der Praxis vorzugsweise abgerundet und nicht scharfkantig ist. Der Umlenkwinkel α kann zwischen 25 und 60° liegen; vorzugsweise beträgt er 45°. Anschließend an die Umlenkung 3 folgt eine Abscheidefläche 4 auf der "äußeren" Wand des Strömungskanals 2. Die Länge l _a dieser Abscheidefläche beträgt zweckmäßig 1,2 s bis 5 s, vorzugsweise 2 s bis 3 s. Auf diese Abscheidefläche werden bei richtiger Wahl von s bzw. b zum Erzielen einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungskanälen sämtliche Tropfen mit einem Durchmesser von mindestens d _T abgeschieden. Anschließend folgt bei 5 eine zweite Umlenkung in umgekehrter Richtung wie die Umlenkung bei 3 mit einem Austrittsbereich der Platten, in dem sich der Strömungskanal diffusorartig erweitern kann und der mindestens angenähert die Strömung wieder in eine Richtung entsprechend der Eintrittsrichtung ausrichten kann, wie es für verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt ist. An den Austrittskanten bei 7 löst sich der auf der Abscheidefläche 4 abgeschiedene und von der Strömung mitgeschleppte Flüssigkeitsfilm in großen Tropfen (Agglomerate) ab, die von der austretenden Strömung mitgerissen und anschließend in herkömmlicher Weise leicht aufgefangen werden können.

Die Ausführung nach Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einem verdickten Eintrittsbereich (große Breite b) und sanft abgerundeten Umlenkungen, wie prinzipiell in der DE-PS 33 30 533 beschrieben. Ist die Breite b im Vergleich zum freien Abstand der einzelnen Abscheideplatten wie bei der Ausführung nach Fig. 2 verhältnismäßig groß, so wird aufgrund der Kontinuitätsgleichung eine im Vergleich zur Anströmgeschwindigkeit der Mehrphasenströmung vor dem Eintritt in die Vorrichtung vergleichsweise große Strömungsgeschwindigkeit erzielt, welche Tröpfchen auch kleinen Durchmessers d _T an den Abscheideflächen 4 abscheidet, den abgeschiedenen Flüssigkeitsfilm zu den Austrittskanten 7 mitschleppt und dort die agglomerierten Tröpfchen wieder mitreißt.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist eine Gestaltung in Form einer Blechkonstruktion mit zweifach aus Blechen gebogenen Abscheideplatten gezeigt, deren Gestaltung besonders einfach ist.

Auch die Fig. 4 bis 6 zeigen Blechkonstruktionen, wobei jedoch der Eintrittsbereich mit der Länge l _e durch zurückbiegen der Bleche über diese Länge zum Erzeugen einer Verengung und damit einer Tropfenbeschleunigungsstrecke im Eintritt zurückgebogen ist. In der Wirkung ist diese Ausbildung ähnlich wie diejenige nach Fig. 2, wobei jedoch eine deutliche zweite Umlenkung in Richtung entgegengesetzt der ersten Umlenkung zusätzlich vorgesehen ist. Die Abscheideplatten sind an der Stelle dieser zweiten Umlenkung bei 5 um einen größeren Winkel zurückgebogen als bei der ersten Umlenkung bei 3. Links in Fig. 4 sind einige Platten mit einer sanft in die ursprüngliche Eintrittsrichtung der Strömung zurückgekrümmten Austrittsenden 7 dargestellt, auf die gemäß der Darstellung rechts in Fig. 4 aber auch verzichtet werden kann.

Fig. 5 zeigt eine entsprechende Ausbildung wie in Fig. 4 in Blechkonstruktion mit verdicktem Eintrittsbereich, jedoch mit geringeren Umlenkungen und damit geringeren Druckverlusten.

Bei der Ausbildung nach Fig. 6 sind die Abscheideplatten nicht genau parallel sondern auf einem Bogen, beispielsweise auf einem Kreisbogen, angeordnet, wobei die Mehrphasenströmung radial von innen nach außen strömt.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 7 sind drei Reihen von jeweils gradlinig und schräg zueinander versetzt angeordneten Platten vorgesehen. Die drei Plattenreihen folgen dicht aufeinander, um eine erneute Homogenisierung der Mehrphasenströmung zu verhindern, wobei eine Reihe der anderen definiert so zugeordnet ist, daß bisher noch nicht erfaßte Strömungsbahnen von Teilchen "gereinigt" werden. Es ist ersichtlich, daß die ebenen Platten der Vorrichtung nach Fig. 7 sehr einfach herstellbar und montierbar sind; doch ist diese Anordnung hinsichtlich der Druckverluste nicht optimal.

Eine Verbesserung ist demgegenüber bei der Ausführung nach Fig. 8 mit zwei Reihen von Abscheideplatten erzielt. Die in Strömungsrichtung erste Reihe besteht aus dünnwandigen Blechen 20, welche aus der Eintrittsströmungsrichtung heraus mit ihren Austrittsenden 27 in Strömungskanälen 32 endend herausgekrümmt sind, wobei diese Strömungskanäle zwischen versetzt zu den Platten 20 angeordneten, strömungsgünstig profilierten Abscheideplatten 30 derart angeordnet sind, daß die Tröpfchen auf Teilbereiche des Strömungsfeldes konzentriert werden.

Diese Abscheideplatten 30 haben Abscheideflächen 34, auf denen die durch die Platten 20 verteilten Teilchenströme abgeschieden und zu den Austrittskanten 37 zur Agglomeration mitgenommen werden. Die drei links gezeichneten Platten 30 laufen zum Austrittsende hin in spitzen Austrittskanten 37′ aus, die in etwa in die ursprüngliche Eintrittsströmungsrichtung zurückgekrümmt sind.

Bei der Ausführung nach Fig. 9 sind zwei oder mehr Reihen von im wesentlichen ungekrümmten, im Querschnitt tropfenförmig gestalteten Platten 40, 42 vorgesehen, wobei die hintere Reihe mit den Platten 40 schlank auslaufende, als Diffusoren wirkende Austrittsbereiche 44 aufweist, die auch gemäß 44′ gekappt sein können, so daß sie als Stoßdiffusoren wirken. Als Abscheideflächen wirken die vorderen Profilnasen 41, 43 der Platten 40, 42. Dabei können die vorderen Profilnasen 41 der hinteren Reihe zum Eintritt hin zur Strömungsstabilisierung verjüngt sein. Die vorderen Platten 42 und die hinteren Platten 40 laufen in verjüngte Austrittskanten 47 bzw. 49 oder 49′ aus, von wo die Agglomerate in Form großer Tropfen abgerissen werden.

Die Ausführung nach Fig. 9 zeichnet sich durch besonders geringe Druckverluste aus.

Konkrete Abmessungen der Kanalbreite s liegen in der Praxis im Bereich zwischen 0,2 und 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 mm. Daraus ergeben sich im wesentlichen die übrigen Abmessungen der Vorrichtung wie oben erläutert.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Agglomerieren von in einer Mehrphasenströmung mitgeführten Flüssigkeits- und/oder Festteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit im wesentlichen parallelen Abscheideplatten nach Art von Tropfenabscheidern mit mindestens einer Umlenkung der Mehrphasenströmung zur Trägheitsabscheidung der Teilchen gestaltet ist und daß die Strömungskanäle zwischen den einzelnen Abscheideplatten so dimensioniert sind, daß die in den Strömungskanälen erzielte Strömungsgeschwindigkeit (c) dazu ausreicht, die an den Wänden der Strömmungskanäle durch Trägheitswirkung abgeschiedenen Teilchen zu den Austrittskanten der Abscheideplatten mitzuschleppen und an den Austrittskanten in Gestalt großer Tropfen (Agglomerate) davon abzureißen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Abstand (s) der Abscheideplatten abhängig von der zwischen den Platten herrschenden Strömungsgeschwindigkeit (c), der Tröpfchengröße (d _T ), dem Umlenkwinkel (α), der Tröpfchendichte (ρ _T ), der dynamischen Zähigkeit des Gases (η _G ) im wesentlichen entsprechend der Beziehung bemessen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideplatten in Strömungsrichtung gesehen vor der ersten Umlenkung eine Tropfenbeschleunigungsstrecke mit im wesentlichen gleichbleibendem oder stetig sich verengendem Strömungsquerschnitt aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der Abscheideplatten im Eintrittsbereich vor der ersten Umlenkung das 0,1- bis 3-fache, vorzugsweise das 0,5- bis 2-fache des freien Abstandes (s) beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l _e ) des Eintrittsbereichs vor der ersten Umlenkung im Bereich zwischen dem 0- bis 3-fachen, vorzugsweise dem 1- bis 2-fachen, des freien Abstands (s) liegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l _a ) der Abscheidefläche, die auf die erste Umlenkung folgt, im Bereich zwischen dem 1,2- bis 5-fachen, vorzugsweise zwischen dem 2- bis 3-fachen des freien Abstandes (s) liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung gesehen hinter einer ersten Umlenkung eine zweite Umlenkung in Richtung entgegen der ersten Umlenkung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Reihen von Abscheideplatten in Strömungsrichtung gesehen dicht aufeinanderfolgend angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen von Abscheideplatten versetzt zueinander angeordnet sind, derart, daß die Teilchen von einer ersten Plattenreihe vor dem Eintritt in die nachfolgende zweite Plattenreihe auf Teilbereiche des Strömungsfeldes konzentriert werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Plattenreihe Leitkörper bzw. -bleche und die zweite Plattenreihe dickwandige, zum Austritt hin sich verjüngende Profile aufweist.