f 10 Untersuchungen zum Abscheidegrad und Druckverlustanstieg von SchOttschichtfiltem x- x- >- 8

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1 f x- x- Bild 9. Spr des Knickschleppers nd die Bewegng des Moentanpols, links: w(t) = w sin (t), rechts: w(t) =At+ B; w = 72, tend = 3 s, v = 34,72 c/s. Unterschngen z Abscheidegrad nd Drckverlstanstieg von SchOttschichtfilte Von R. Nied, München*) DK l. inleitng Für Schüttschichtfilter sind die F iltrationsechanisen a inzeleleent weitgehend bekannt, für das Zsaenwirken i Filterverband liegen jedoch nr wenige Unterschngsergebnisse vor. n der nachfolgend dargestellten Arbeit werden der Drckverlst nd Gesatabscheidegrad eines Labor-Schüttschichtfilters experientell nterscht. Die raeter - Höhe der Schüttschicht, Drchesser der Filtereleente, Lftgeschwindigkeit, Stabbeladng des Rohgases, relative Lftfechte - wrden in weiten Bereichen variiert. Gleichngen zr Berechnng von Drckverlst nd Gesatabscheidegrad werden vorgestellt. Für die finanzielle Förderng dieses Projektes sei der Detschen For schngsgeeinschaft ach an dieser Stelle gedankt. *)Dipl-Ing. R. Nied ist wiss. Mitarbeiter von Prof. Dr.-Jng. J. Wesse/ a Lehrsthl fiir Landaschinen (Direktor: o.prof. Dr.-Jng. W. Söhne) der Technischen Universität München. 96 Schüttschichtfilter sind Filter, deren Filteredi as einer Festkörperpackng besteht. Die leente dieser ckng können sowohl regellose For (Kies, Sand, Koks etc.) als ach definierte geoetrische Foren (Kgeln, Ringe, Sattelkörper) afweisen. Ihre Beständigkeit gegen hohe Gasteperatren nd schleißende Stäbe ist höher als bei Faserfiltern. Die Filtrationsechanisen a inzeleleent sind weitgehend bekannt, für das Zsaenwirken der Grndvorgänge i Filterverband liegen jedoch nr wenige Unterschngsergebnisse vor. 2. Beschreibng der Verschsanlage nd Verschsethodik I Rahen dieser Unterschngen wrde der inflß der volenbezogenen spezifischen Filterbelegng W, des Filtereleentdrchessers df, der Schütthöhe H, der af den freien Qerschnitt bezogenen ittleren Anströgeschwindigkeit vf nd des Massenstroes des Stabes t af den Gesatabscheidegrad Tlges nd den Drckverlst p nterscht. Ferner wrden die relative Lftfechte 'i'l nd die Lftteperatr{) bei jede Versch itgeessen. Die Verschsparaeter wrden in folgenden Bereichen variiert: Grndl. Landtechnik Bd. 28 (978) Nr. 5

2 ,5 kg/3 <W < 33 kg/3 2c <H < loc,4 /s < Vf <, /s (entsprechend 4 3 /h < VL,n< 3/h),56-4 kg/s < t < 22,2-4 kg/s (entsprechend 5 g/3 < tr,n< 4 g/3) II % < <PL < 65 %. Den Afba der Verschsanlage zeigt Bild. Als Filtereleente wrden Glaskgeln it den Drchessern df =,2; 3 nd 6 verwendet. Das disperse Medi war Kalkstein it einer Korngröße von 2 µ bis 3 µ ( % 4 µ; 9 % 3,9 µ) nd einer Dichte von p = 2,72 g/c3. Nähere Angaben zr Verschsanlage nd Verschsethodik sind einer früheren Veröffentlichng des Ators [ l] z entnehen. 3. Verschsergebnisse In Bild 2 sind der Gesatabscheidegrad lges nd der Drckverlst t.pe über der Filterbelegng W afgetragen. Die raeter df nd H wrden as zahlreichen Verschen so gewählt, daß sich ein annähernd gleicher axialer Gesatabscheidegrad ergab. Wie die zgehörigen Drckverlstkrven belegen, ist die Anordnng der 6 -Kgeln in einer c hohen Schüttng bei Vergleich von Drckverlst nd Abscheidng der 6 c hohen ckng it 3 Kgeldrchesser überlegen. Wie bereits dieses Beispiel zeigt, sind der Abscheidegrad nd der Drckverlst drch geeignete Variation der raeter wesentlich z beeinflssen. ine qalitative Beschreibng der dabei aftretenden Vorgänge wird von Wessel nd Nied [ ] vorgeschlagen: Der Verlaf von Drckverlst nd Abscheidegrad legt eine inteilng des Abscheidevorganges in drei Bereiche nahe, siehe Bild 3. I ersten steigt der Gesatabscheidegrad lges von seine Anfangswert af seinen Maxialwert an; der Drckverlst verläft in diese Bereich nahez konstant. I zweiten Bereich bleibt der Abscheidegrad af seine Maxialwert, der Drckverlst nit progressiv it der Filterbelegng z. Der dritte Bereich ist schließlich drch den schlechter werdenden Abscheidegrad bei lineare Drckverlstanstieg gekennzeichnet. --- Bereich konstanten ::=:! Gesatabscheidegrades Bild. Verschsanordnng zr Messng von Gesatabscheidegrad nd Drckverlst von Schüttschichtfiltern. a Vibrorinne b Kanalradsichter; Lafraddrchesser D = 7 c Drehzahl n = 25 l /in c Schüttschichtfilter; Anströfläche F =, d U-Rohr-Manoeter zr Drckverlstessng e Schlachfilter als ndabscheider f Drosselorgan zr Drchflßregelng g Meßstelle it Meßblende nd U-Rohr Manoeter für den Drchflß h Ringgebläse Filterbelegng W Bild 3. Schea des Verlafes von Abscheidegrad nd Drckverlst in den drei Bereichen der Filtration. 4. Theoretische Analyse Cl. Vi L: Cl.::.:. l) L. F d = o: H = c Filterbelegng W Af der.grndlage dieser Modellvorstellng wrde ein Berechnngsverfahren entwickelt, das die Besting von Drckverlst nd Gesatabscheidegrad i zweiten Bereich, der für die praktische Anwendng von Bedetng ist, eröglichen soll. Znächst ist die Lage dieses zweiten Bereiches it Hilfe der beiden Pnkte W A nd W z bestien. W A bezeichnet hierbei die Filterbelegng, bei der der Gesatabscheidegrad bei der jeweiligen raetergrppierng sein Maxi erreicht. Das nde des Bereiches des konstanten, höchsten Gesatabscheidegrades wird bei der Filterbelegng W erreicht. Die epirisch it Hilfe der ltiplen Regression [2] as zahlreichen Verschsergebnissen gewonnenen Gleichngen für W A nd W laten: WA = 572,22 Hl,75 <PL,536 ffit,98 H,55 W = 23, vr,679 df,486 <PL,67 ( ), (2). Bild 2. Gesat-Abscheidegrad ) es(, ) nd Drckverlst t.pe (o, 6) in Abhängigkeit von der Iftlterbelegng W it Variation von Filtereleentdrchesser df nd Schütthöhe H; Anströgeschwindigkeit vr =, /s, Massenstro des dispergierten Kalksteins = 5,5 4 kg/s, relative Lftfechte <PL = 27 %. Das ltiple Bestitheitsaß B für diese Beziehngen ergab sich z : BwA 86,3 %, BW 8,3 %. Grnd!. Landtechnik Bd. 28 (978) Nr. 5 97

3 Der Drckverlstanstieg Ape - Ap zeigt i betrachteten Bereich 2 einen progressiven Anstieg it der Filterbelegng W. Der folgende Potenzansatz, der ebenfalls it der Methode der ltiplen Regressionsrechnng bestit wrde, gibt dies wieder: Für den betrachteten-bereich 2 der Filtration wird angenoen, daß alle af die Oberfläche eines Filtereleentes aftreffenden Stabteilchen haften, also hw = l ist. Man erhält soit: (2). Hl,386 Wl,37 Ape - Apo = 2,22-2 o 386. o 3 65 o 344 (3). Setzt an GI. ( 2) in GI. ( l ) ein, ergibt sich für eine bestite Vf ' t ' dp ' <PL ' Korngröße dp der Fraktionsabscheidegrad einer Schüttschicht: Das ltiple Bestitheitsaß B für die Beziehng latet: B = 94,l %. ( d ) = _ I_ 5 ( - ) H (l +,75 ln l (2 Stk))-2 P exp [ ' dp Stk-,24 J (3). Der Anfangsdrckverlst Ap läßt sich nach Mersann [3] für das drchströte, trockene Festbett berechnen z: it PL Vf 2 l - Ap =-- - -H 2 dp 3 3 = Re '. Vf dp 3. für Re= (l _ ) - (4). Für die Berechnng des Gesatabscheidegrades lges wrden theoretische rkenntnisse herangezogen. Da die Anstrogeschwindigkeit vf relativ groß war nd die Körnng des verwendeten Kalkstabes bei dp µ lag, kann als aßgeblicher Filtrationseffekt die Trägheitsabscheidng angenoen werden. Für den Aftreffgrad eines einzelnen, kgelförigen Filtereleentes gilt dann nach Langir nd Blodgett [ 4) bei zäher Uströng folgende Beziehng: = +,75ln(2 Stk)J- 2 T L Stk -,24 Vf d 2 p it Stk = P P 8 7)L dp In der differentiellen Schichtdicke dh einer Filterpackng der Höhe H ändert sich die Konzentration c eines stabhaltigen Gases: _de= 6( - ) dh T dp3 Wird GI. (6) in den Grenzen cein bis cas integriert, so erhält an: l ( - ) JH - de=, dh c dp (5), (6). (7). - ( - ) In (casfcein) - -,5 --cif H 7 (8), it Casf cein = l -) ( dp) (9) ergibt sich: ( - ) ln [l -) (dp)) = -,5 H 7 (). Nach Löffler [ 5) setzt sich der Abscheidegrad eines leentes as de Aftreffgrad 7T ltipliziert it der Haftwahrscheinlichkeit hw zsaen: (). Zr rittlng des Gesatabscheidegrades lges ß über die Häfigkeitsverteilng h ( dp) des abzscheidenden Stabes integriert werden: Mit GI. (3) erhält an: (4). = Jdax {i _ [- 5 ( - ) H (l +,75 ln (2 Stk) )- 2 }. lges d. exp ' dp Stk-,24 J h(dp) ddp (5). Die Häfigkeitsdichteverteilng des Stabes h (dp) ist experientell z eritteln. Dait ist eine geschlossene Lösng von GI. (5) nicht ehr öglich. Mit Hilfe eines prograierbaren Rechners wrde GI. (5) nerisch gelöst. 5. Vergleich von Theorie nd Verschsergebnissen In Bild 4 bis 6 sind die it Gin. (3) nd (5) berechneten Drckverlst- nd Abscheidegradkrven it den Grenzen W A nd W nach Gln. () nd (2) über der Filterbelegng W afgetragen. Als raeter wrden in Bild 4 die af den freien Qerschnitt bezogenen ittleren Anströgeschwindigkeiten vf =, /s nd vr =,45 /s gewählt. Der Gesatabscheidegrad erreicht bei der größeren Anströgeschwindigkeit sein Maxi erst bei einer höheren Filterbelegng nd fällt früher wieder ab. Gleichzeitig ist jedoch der Maxialwert größer. Der Anfangsdrckverlst ist bei vf =, /s größer, Tafel, der Drckverlstanstieg hingegen flacher. 3 cf Po et <I F & 2 'O,9 t< t ni =3- ' kg/s H =6c df =3 qll :27% f f. "- o.a " , Q;.s 2 QI (!) -..o :v =nv : "I =.45/s.7Jc)ll()j:lllll:e:::::::::::...L L -... : J 5 5 kg/l 2 Filterbelegng W Bild 4. Geessener Gesatabscheidegrad ) es(, ) nd Drckverlstanstieg Ape - Ap (o, L) in Abhängiikeit von der Filterbelegng W it der Anströgeschwindigkeit vf als raeter i zweiten Bereich der Filtration. Die Krvenzüge geben das rgebnis der Rechnng wieder. 98 Grndl. Landtechnik Bd. 28 (978) Nr. 5

4 6 cf Po 4 2 -;::: Bild 5. Gesatabscheidegrad 'Tlges (,,..A.) nd Drckverlstanstieg Ape - Ap (o, o, 6) afgetragen über der Filterbelegng W bei variierte Filtereleentdrchesser dp. Die eingezeichneten Linien entsprechen de berechneten Krvenverlaf i zweiten Bereich der Filtration; Höhe der Schüttschicht H = c; Anströgeschwindigkeit Vr =,4 /s, Massenstro t = 3.-4 kg/s; relative Lftfechte '+'L = 4 %. 6 - Po.4 v =,/s ii rrit = 3 " 4 kg.is ii df = t5 2 <il = 4% 5 2 kg/ 3 25 Filterbe!eg['9 W Bild 6. Gesatabscheidegrad 7 es (,, ) nd Drckverlstanstieg Ape - Ap (o, o, 6) in Abängigkeit von der Filterbelegng W. ingezeichnete Krven wrden nach Gin. (), (2), (3) nd (5) berechnet bei variierter Schütthöhe H. Vf nit df H '+'L WA W 'Tlges /s -4 kg/s c % kg/3 kg/3,4,3,5 22,8 332,995,8 2,2,5 29,36 26,987, 2,9,5 24,76 24,98,4,3, ,2 84,989,4 3,5 3 4, 26,992, 3, ,36 36,967, 9,5 3 7,72 76,96,4 3 2,84 272,994,4 3, ,24 344,994, 2, ,72 72,993, ,48 24,992.4, ,64 84,989, ,84 268,987,8, ,2 24,99,, ,2 4,989,, ,96 72,99,8, ,4 88,92,8, ,76 28,922,, ,8 92,935,, ,2 24,93,4, , 52, , ,28 64,886,4, ,24 44,948,8 2, 6 2 8, 36,97, 2, ,84 2,976 Tafel 2. Afstellng einiger berechneter Werte für W A (nach GI. ()), W (nach GI. (2)) nd 'Tlges (nach GI. (5)) it den i Versch variierten raetern. In Bild 6 wrde als raeter die Höhe der Schüttschicht H gewählt. s zeigt sich, daß it znehende H das Maxi des Gesatabscheidegrades bei steilere Drckverlstanstieg größer wird, ebenso erweitert sich der 2. Bereich der Filtration. Wie as den eingezeichneten Meßpnkten in Bild 4 bis 6 sowie as Bild 7 nd 8 ersichtlich, stien Theorie nd xperient gt überein. df H Vf tipo c /s,5 3, 388,5, 7,5, , , , 5 Tafel. inige geessene Anfangsdrckverlstwerte it den zgehörigen raetern. Die Krven in Bild 5 nterscheiden sich drch verschiedene Filtereleentdrchesser dp. I zweiten Bereich steigt it abnehende dp der Abscheidegrad an, gleichzeitig verschieben sich W A z niedrigeren nd W z höheren Werten hin, Tafel 2. Der Anfangsdrckverlst Ap steigt it kleiner werdende dp an, der Drckverlstverlaf wird steiler. et Po O 3 i ;----- /). 2 i r------j O a ltx-oocx-<x< ' 2 3 Po 4 berechneter Drckverlstanstieg i;p. - öpo Bild 7. Geessener Drckverlstanstieg Ape - Ap afgetragen über de nach GI. (3) berechneten. ingezeichnete Linie ist Sollinie. Grndl. Landtechnik Bd. 28 (978) Nr. 5 99

5 F O O, I------;. " <! Q; ,lf j c <! <! <! Ol o.ai.as,9,95 berechneter Gesotobscheidegrod l\ges Bild 8. Geessener Gesatabscheidegrad T/ges afgetragen über de nach GI. (5) berechneten. ingezeichnete Linie ist Sollinie. 6. Zsaenfassng An eine Labor-Schüttschichtfilter it Glaskgeln als Filtereleenten wrden Unterschngen über den inflß der wichtigsten raeter (Höhe der Schüttschicht H, Filtereleentdrchesser df, Anströgeschwindigkeit Vr, Massenstro des Stabes t Filterbelegng Wnd relative Lftfechte 'h) af den Gesatabscheidegrad T/ges nd den Drckverlstanstieg L'.pe - L'.p vorgenoen. As den rgebnissen konnten teils epirisch it Hilfe der ltiplen Regressionsanalyse, teils ach drch theoretische Betrachtngen Beziehngen für den Gesatabscheidegrad T/ges nd den Drckverlstanstieg L'.pc - L'.p i zweiten Bereich der Filtration gefnden werden. Die gefndenen Beziehngen, die Gin.(!), (2), (3) nd (5), weisen eine befriedigende Übereinsting it de xperient af. Verwendete Forelzeichen cein Cas df dp Feststoffkonzentration i einströenden Rohgas Feststoffkonzentration i asströenden Reingas Filtereleentdrchesser rtikeldrchesser des Stabes VL,n w 7T T/ges i'j p <Pt V T/ Schriftt kg/s /s kg/3 g/3 oc kg/3 % 2 /s s Häfigkeitsdichteverteilng des Stabes Haftwahrscheinlichkeit Höhe der Schüttschicht Massenstro des Stabes Drckverlst nddrckverlst Anfangsdrckverlst af den freien Qerschnitt bezogene ittlere Anströgeschwindigkeit Volenstro der Lft bei Noralzstand volenbezogene spezifische Filterbelegng Rohgasbeladng, bezogen af Noralzstand Aftreffgrad eines Filtereleentes bei Trägheitsabscheidng Abscheidegrad eines Filtereleentes Fraktionsabscheidegrad einer Filterpackng Gesatabscheidegrad Teperatr Dichte relative Lftfechte kineatische Viskosität dynaische Viskosität Porosität [ ] Nied, R.. J. Wessel: Beitrag zr Stababscheidng in rhenden trockenen Kgelschüttngen. Cheie-lng.-Techn. Bd. 5 (978) Nr. 5, S. 42/43. [ 2] Soo,.: Varianzanalyse, Regressionsanalyse nd Korrelationsrechnng. Blae IR-Reihe Heft 2; Verlag Technische Rndscha Bern, Stttgart 972. [ 3 ] Mersann, A. : Skript Mechanische Verfahrenstechnik. München 975. [ 4) Langir, /.. K.B. Blodgett: Report No. RL-225, General lectr. Res. Lab., Schenectady, N.Y. (944/45). [ 5 ] Löffler, F. : Apparate nd Verfahren der indstriellen Gasreinigng (Hrsg. von Weber/Brocke) Bd. : Feststoffabscheidng, S. 45 ff. München Wien: R. Oldenborg Verlag Grndl. Landtechnik Bd. 28 ( 978) Nr. 5