Synopse I 1236

Die Tropfenabscheidung in Zyklonen in Abhangigkeit von Gasdurchsatz, Druckverlust, TropfengroBe und Zyklon- abmessungen

Armin Biirkholz"

In einer fruheren Arbeit des Autors [l] wurde uber die Untersuchun- gen an Tropfenzyklonen berichtet. Dabei wurden MeRwerte rnit Rechenwerten geman der Theorie von W. Bartk und E. Musckel- knautz [2] verglichen. Zur Einordnung der Ergebnisse wurden Kenn- zahlen eingefuhrt [3] , zur Berechnung der GrenztropfengroRen Na- herungsformeln angegeben. Der vorliegende Beitrag vertieft und vervollstandigt die damaligen Angaben. Es werden einfache Naherungsformeln abgeleitet und Beispiele zur Zyklonberechnung angegeben. In Tab. 1 sind die wichtigsten Zyklondaten angegeben; ri ist der Tauchradius, Fist das Verhaltnis von Eintrittsquerschnitt des Gases zu Tauchrohrquerschnitt, D, ist der AuRendurchmesser des Zyklons und hi die Zyklonlange unterhalb des Tauchrohres. Zwischen den ebenfalls in Tab. 1 angefuhrten gemessenen und den nach der Zyklontheorie von Musckelkiiautz berechneten Druckverlust-Bei- werten < besteht cine gute Ubereinstimmung. Letztere beziehen sich auf die Eintrittsgeschwindigkeit und stellen Mittelwerte dar, da mit zunehmendem Gasdurchsatz etwas ansteigt. Die Druckverlust-Bei- werte hangen im wesentlichen von der Zyklongeometrie ab und lassen sich ausreichend gut durch die folgende einfache Naherungs- formel approximieren :

Abb. 1. Abhangigkeit des Grenztropfen-Durchmessers d,, vom Druckverlust Ap und vom Tauchrohrradius pi (Symbole s. Tab. 1 ) . Alle Grenztropfen in den Abb. 1 bis 3 beziehen sich auf die Fliissig- keitsdichte eT = 1000 kg/m3 sowie auf Luft als Tragergas.

* Dr. A . Biirkholz, Bayer AG, 5090 Leverkusen-Bayerwerk.

iappr. = 3 R(Fz + D,/k,) (1)

mit R = r,/ri, dem Verhaltnis von AuBenradius zu Tauchrohrradius des Zyklons. Bei allen von uns untersuchten Zyklonen war R = 3, so daR sich auch alle nachfolgend angegebenen Naherungsformeln auf diesen Fall beziehen. Aus GI. (1) wird damit

1

mza

Abb. 2. EinfluB der Zyklonlange.

Die Abscheideuntersuchungen wurden rnit Luft als Tragergas durchgefuhrt, als Testaerosol dienten verduste Saure und 01, die Tropfenspektren wurden rnit Kaskaden-Impaktoren gemessen. Aus den im Mikrofiche-Manuskript dargestellten Fraktionsabschei- dekurven ergeben sich die zu den Druckverlusten Ap gehorenden Grenztropfen-Durchmesser d,, (aerodynamischer Durchmesser) fur 50proz. Abscheidung. Hierfur ergibt sich die Beziehung

d,, (pm) = K,,/(A~(rnbar))'!~. (3)

Der Proportionalitatsfaktor K,, hat fur jeden Zyklon einen be- stimmten Zahlenwert. In der 3. Potenz hat er die Dimension einer Energie und ist zahlenmafiig gleich dem zur Abscheidung eines Grenztropfens d,, = 1 pm erforderlichen Druckverlust in mbar. Ge- ma13 Tab. l steigen diese Druckverluste rnit zunehmender Zyklon- grolje an, d. h. K5, wird groljer, wenn ri groRer wird. Eine einfache Beziehung ergibt sich durch Auftragen des Verhaltnis- ses des Druckverlustes Ap zum Tauchrohrradius ri iiber dern Grenz- tropfen. Abb. 1 zeigt dies sowohl fur die experimentellen als auch fur die aus der Zyklontheorie folgenden theoretischen Werte. Beide Wertegruppen liegen nahe einer Geraden, wobei die MeRwerte vornehmlich zu etwas kleineren, die Rechenwerte zu etwas groaeren Grenztropfen verschoben sind. Aus der Lage der Geraden ergibt sich die Naherungsformel :

GroRere Abweichungen zwischen Me& und Rechenwerten treten nach Abb. 2 erst bei sehr kurzen Tropfenzyklonen auf. Wahrend die Rechenwerte fur die langen Zyklone mit DJki < 0,5 sehr eng bei der Naherungsgeraden nach GI. (3) liegen, ergeben sich rnit steigendem D,/hi zunehmend groRere GrenztropfengroRen. Dagegen liegen die zugehorigen MeRwerte alle auf der Naherungsgeraden. In Abb. 3 wurden die gemessenen Fraktionsabscheidewerte nF aller untersuchten Zyklone (auRer dem Axialzyklon Nr. 3) iiber dem Abscheideparameter $ A , einer in [l, 31 abgeleiteten dimensionslosen Kennzahl, aufgetragen. Die MeRpunkte rucken jetzt so dicht zusam-

484 Chem.-1ng.-Tech. 56 (1984) Nr. 6, S. 484-485 0 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1984 0009-286X/84/0606-0484$02.50/0

Tabelle 1. Zyklondaten; ~,,,,, = 9 (F2 + D,/hi).

Nr. Symbole ri F 4 Cexp itheor cappr. K:O ($A#?

exp. theor. [mm] hi [mbar pm3]

1 4 4 100 0,45 0,85 8 11 9 400 1,6

185 1,6 3 50 1 1,lO 10 - -

4 x Q 32 0,55 0,45 8 8 7 75 1,3

6 + @ 20 0,36 0,40 4 5 5 90 1,6 7 0 12 0,60 0,40 6 6 7 27 1,3 8 A A 10 1 0,40 13 12 13 46 1,7 9 v v 5 0,85 0,55 9 10 11 36 1,9

10 17 1 0,17 10 11 10 64 1,6 11 17 I 0,25 13 13 11 85 1,7 12 b D 17 1 0,50 15 16 14 75 1,6 13 17 1 1,OO 18 18 18 75 1,6 14 17 1 3,33 22 19 39 64 1,6

2 4 0 50 0,85 0,60 9 13 12 260 1,7

5 0 0 25 1 0,65 8 14 14 135 1,7

(V,)112=1?4.1q112 Re"6 Eu''32 (Ap(mbnr)/r[(mm))ln d ( p )

EEm - Abb. 3. Fraktionsabscheidewerte vF aller Zyklone als Funktion von ($A)"z ; ---- Na- herungsgerade qF = lg$A, -Naherungs- kurve vF = I):/($: + 6).

men, daB man sie durch eine gemeinsame Fraktionsabscheidekurve annahern kann. Einfache Naherungsformeln hierfur sind z. B.

VF = k $ A Oder VF = $2($: + 6)., (5a), (5b) Aus den Gln. (S), (10) und (11) wird

Die individuellen Abscheidekurven lassen sich annahern durch

fengroBe d,, . Oft ist es praktischer, statt der SI-Einheiten die Einheiten mm, m3/h, pm und mbar zu verwenden.

ri(mm) & 3,9 . 10-3Z1!5S1!5Q2!5d~~,

v F = 2 ' 1g{($,4)1'2 + - ($A):gl) , (5c)

wobei die Werte fur ($,):g aus Tab. 1 zu entnehmen sind und tiF naturlich zwischen 0 und 1 liegen muR. Explizit gilt nach [I] fur $A:

(6) = (1/4)( eT - Wp-4!3) (Ap2!3 -2!3#

T i 1 (eT Flussigkeitsdichte, e Gasdichte, p Gasviskositat, d Tropfen- durchmesser). Unter Verwendung des Mittelwertes ($,):L2 = 1,7 fur den Grenztropfen d,, lassen sich einige weitere Naherungsformeln ableiten. Aus GI. (6) folgt

Ap = 39,3(eT3!' @'!'p2) (rid;:). (7)

Andererseits ist

AP = 1(1/2)evI,

v, = Q/(nr:), rf = Frf (81, (9)

(Q Gasdurchsatz, F Querschnittsverhaltnis Eintritt/Tauchrohr). Mit der Naherungsformel (2) folgt

(14) Q(m3/h) A 1,02 . 106~-1!2S-l!2 5'2 -3!2

d,,(pm) 1,03 . 104Z-'!3S-'!3r!!3Q-2!3 r i ' dm ,

Ap(mbar) g 345 . ZgQ2rC4, (15)

v,(m/s) s87 ,5 . Q/(Frf). (16)

Hierbei sind auch die rechts vom Gleichheitszeichen stehenden Ausdrucke Q, ri und d,, in den links angedeuteten Einheiten zu setzen. Z und Fsind dimensionslos, fur Sund e sind nach wie vor die SI-Einheiten zu verwenden. Im Mikrofiche-Manuskript werden die Formeln in einer Reihe von Rechnungsbeispielen angewandt . Die Naherungsformeln liefern in der Regel eine gute und fur praktische Zwecke ausreichende Uber- einstimmung mit Messung und Theorie. Insbesondere wird die gegenseitige Abhangigkeit der EinfluRgroDen deutlich. Naherungs- formeln konnen naturlich nicht exakte Berechnungen ersetzen, ins- besondere wenn der hier vorgestellte Untersuchungsbereich uber- schritten werden soll. Eingegangen am 4. Oktober 1983

Ap =0,45(1 +D,/(hiP))eQ2/rf (10) [l] Biirkholz, A , : Staub Reinhalt. Luft 38 (1978) Nr. 6, S. 211/215. 121 Mttschelknautz, E . : Staub Reinhalt. Luft 30 (1970) Nr. 5. S. _ _ ~,

Durch Gleichsetzen der Gln. (7) und (10) folgt schliefllich:

ri = 0,4 . ~1!5~1'5~2!5d:;5 (11) 29/33.

1871195. [3] Biirkholz, A , : Verfahrenstechnik (Mainz) 10 (1976) Nr. 1, S.

mit Z = 1 +D,/(hiF2) und S=QI~Q~!~~(-~. Schliisselworte: Tropfenabscheidung, Zyklone, Naherungsformeln, (l2)? (I3) KenngroBen.

Fur Zyklone mit R # 3 tritt anstelle von Z der Geometrie-Faktor ZR/3. Bei einer Zyklonauslegung hangt also der zu wahlende Tauchrohrra- dius von einem dimensionslosen Geometrie-Faktor Z ab, von einem Stoffdatenfaktor S, vom Gasdurchsatz Q sowie von der Grenztrop-

Chem.-1ng.-Tech. 56 (1984) Nr. 6, S. 484-485 485

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