Handbuch VSA. Vertikaler Schwerkraft Abscheider

Handbuch VSA Vertikaler Schwerkraft Abscheider Lauterbach Verfahrenstechnik 01 / 2000

Inhalt 1 Auslegungsgrundlagen 1 1.1. Flüssigkeitsabscheidung... 1 1.1.1. Demister... 1 1.1.2. Kritische Geschwindigkeit, Grenztropfen... 1 1.2. Mitriß von der Flüssigkeitsoberfläche... 2 1.3. Produkt-Eintritt... 2 1.3.1. Eintritts-Stutzen... 2 1.3.2. Eintritts-Verteiler... 2 1.3.3. Tangentialer Eintritt... 2 1.4. Produkt-Austritt... 2 1.5. Wirbelbrecher... 2 1.6. Behälterzonen... 3 1.6.1. Mindestabstand Flüssigkeitsaustritt bis Niedrigstand (LLL)... 3 1.6.2. Niederigstand (LLL) bis Hochstand (HLL)... 3 1.6.3. Hochstand (HLL) bis Alarmstand (ELL)... 3 1.6.4. Hochstand (HLL) bis Produkteintritt... 3 1.6.5. Alarmstand (ELL) bis Produkteintritt... 3 1.6.6. Höhe von Eintritt bis Gasaustritt ohne Demister... 3 1.6.7. Mit Demister... 3 1.6.8. Tangentialer Eintritt... 4 2 Vorgehensweise 5 Bauarten... 5 Generell... 5 Auslegung eines Abscheiders... 6 Programmerweiterungen... 6 Handbuch VSA Inhalt i

1 Auslegungsgrundlagen 1.1. Flüssigkeitsabscheidung 1.1.1. Demister Der Demister ist ein Paket aus Drahtgestick, das horiziontal auf einem Tragring vor dem Gasaustritt installiert ist. Wenn das Gas und die mitgerissenen Flüssiganteile durch das Gestick strömen, wird das Gas frei durch das Paket strömem, während die Flüssigtropfen auf Grund ihrer Trägheit der Strömung nicht folgen können und sich auf den feinen Drähten sammeln. Die Flüssigkeit sammelt sich an der Unterseite des Demisters und tropft nach unten ab. Wenn die Flüssigbelastung oder Gasgeschwindigkeit zu hoch ist wird der Demister fluten und die Flüssigkeit mit dem Gasstrom nach oben austragen. Die maximale Geschwindigkeit wird im Programm über eine empirische Gleichung berechnet. 1.1.2. Kritische Geschwindigkeit, Grenztropfen Die kritische Geschwindigkeit ist ein empirische Gasgeschwindigkeit, die sicherstellt, dass die Abscheider Querschnittsfläche groß genug ist, um übermäßigen Flüssigkeitsaustrag mit dem Gas zu vermeiden. Die kritische Geschwindigkeit ist definiert durch Vkrit = K1 * ((Rhof Rhog)/Rhog) ½ Rhof Rhofg K1 Flüssigdichte Gasdichte 0.048 Empirische Konstante Aus der kritischen Geschwindigkeit wird ein Grenztropfen berechnet, der während der Berechnung angezeigt wird. Da im Allgemeinen das Tropfenspektrum nicht bekannt ist, kann über die Größe des Grenztropfen vom Ingenieur der Abscheiderdurchmesser festgelegt werden. Ohne Demister im Austritt des Abscheiders kann dies zu großen Durchmessern führen, da der Tropfen alleine durch die Schwerkraft abgeschieden wird. Mit Demister kann eine höhere kritische Geschwindigkeit im Behälter zugelassen werden und der Abscheider wird kleiner. Diese erhöhte Geschwindigkeit kann bis zu 250% der kritischen Geschwindigkeit betragen und wird in Abhängigkeit der Geometrie und der Stoffwerte ermittelt. Handbuch VSA 1 Auslegungsgrundlagen 1

1.2. Mitriß von der Flüssigkeitsoberfläche Bei vielen Betriebsfällen, speziell im Hochdruck- und Hochtemperaturbereich kann es zu Mitriß von Flüssigkeit von der Flüssigkeitsoberfläche in den oberen Abscheiderbereich kommen. Dies hängt von der Eintrittgeschwindigkeit in der Eintrittsleitung, der Art des Zuflusses, dem Abstand zu Flüssigkeitsoberfläche, der Oberflächenspannung und den Dichten und Viskositäten der Flüssigkeit und des Gases ab. Für diese maximalen Geschwindigkeit gibt es eine empirische Gleichung. 1.3. Produkt-Eintritt 1.3.1. Eintritts-Stutzen Beim mittigen Randstutzen tritt das Produkt ohne inneres Rohr ein. Bei einem Bogenstutzen wird ein Rohr bis zur Mitte geführt und unter 90 nach unter geöffnet. Im Allgemeinen hat der Stutzen den gleichen Querschnitt wie die ankommende Rohrleitung. Wenn erhöhter Mitriß von der Oberfläche festgestellt wird, (in diesem Fall vergrößert das Programm den Abstand zur Oberfläche und die Behälterlänge nimmt zu) kann das Eintrittsrohr vor dem Behälter vergrößert werden. Als Strömungsform sollte eine Schwall- oder Blasenströmung vermieden werden. Dies kann durch Wahl des Durchmessers ebenfalls beeinflußt werden. 1.3.2. Eintritts-Verteiler Ein Verteiler ist ein T-förmiges Eintrittsrohr mit Schlitzen oder Löchern an der Unterseite. Die Löcher oder Schlitze haben einen Öffnungswinkel von 120. Durch die Schlitz- oder Lochgröße kann die Austrittsgeschwindigkeit reduziert werden, und der Behälter wird kleiner. 1.3.3. Tangentialer Eintritt Liegt Propfenströmung vor, oder wenn ein hoher Abscheidegrad erforderlich ist und es kann kein Demister verwendet werden, wird ein tangentialer Eintritt mit einer Ringkammer vorgesehen. 1.4. Produkt-Austritt Diese Querschnitte werden vom Benutzer nach anderen Kriterien festgelgt. 1.5. Wirbelbrecher Über dem Austritt der Flüssigkeit wird ein Wirbelbrecher vorgesehen (Vortex) der verhindert, dass Gas mit einem Austrittsstrudel ausgetragen wird. Handbuch VSA 1 Auslegungsgrundlagen 2

1.6. Behälterzonen 1.6.1. Mindestabstand Flüssigkeitsaustritt bis Niedrigstand (LLL) Diese Höhe wird über eine empirische Gleichung bestimmt und sollte mindestens 225 mm betragen. 1.6.2. Niederigstand (LLL) bis Hochstand (HLL) Diese Höhe entspricht der gewählten Verweilzeit zwischen Hoch- und Niedrigstand der Flüssigkeit 1.6.3. Hochstand (HLL) bis Alarmstand (ELL) Diese Höhe ergibt sich aus der Zeit vom Hochstand bis zum Alarmstand oder Stand bei dem eine nach- oder vorgeschaltete Anlage abgeschaltet wird. Z.B. wird ein nachgeschalteter Kompressor abgestellt oder der Zuflußregler zum Abscheider geschlossen. 1.6.4. Hochstand (HLL) bis Produkteintritt Dieser Abstand wird für jede Art des Eintrittes individuell errechnet, damit kein Mitriß von der Oberfläche auftritt. Liegt die Höhe vom HLL bis zum ELL fest, wird der Abstand vom ELL zur Eintrittsöffnung (Verteiler, Bogen) dem notwendigen Abstand angepaßt. Dieser Abstand wird nicht kleiner als der Eintrittsdurchmesser. 1.6.5. Alarmstand (ELL) bis Produkteintritt Nach 1.6.4. beträgt dieser Abstand mindestens dem Eintrittsdurchmesser oder dem Wert der aus der Mitrißbetrachtung sich ergibt. Die Höhe beträgt als Vorgabe 0.75 x dem Abscheiderdurchmesser. 1.6.6. Höhe von Eintritt bis Gasaustritt ohne Demister Höhe von Eintritt bis Demister Höhe von Demister bis Gasaustritt 1.6.7. Mit Demister Handbuch VSA 1 Auslegungsgrundlagen 3

Es sind folgende typische Grundwerte vorgegeben: 1.6.8. Tangentialer Eintritt 1. Über dem Alarmstand (ELL) ist ein festes horizontales Rundblech im Abstand von 150 mm angebracht. Der Durchmesser ist so bemessen, daß durch den sich ergebenen Ringspalt die Flüssigkeit mit 50 mm/s strömt. Die Mindestspaltbreite sollte 50 mm nicht unterschreiten. 2. Der Abstand vom Rundblech bis zur Einströmringkammer beträgt ein Behälterdurchmesser. 3. Die maximale Einströmgeschwindigkeit wird durch eine empirische Gleichung nach oben auf 70 m/s begrenzt. 4. Die Einströmkammer hat einen inneren Einsatz, so daß sich eine Ringkammer ergibt. Der Ringspalt ist nach oben geschlossen. Die Gase treten durch den inneren offenen Kernbereich nach oben aus. Die Gasgeschwindigkeit sollte in diesem Bereich nicht 300% der kritischen Geschwindigkeit überschreiten. Wenn dies nicht möglich, sollten zwei um 180 versetzte Eintrömstutzen benutzt werden. Die Ringspaltweite sollte dem Zuströmquerschnitt entsprechen. Die Höhe der Ringkammer sollte 2.5 X Einströmdurchmesser betragen. Um Erosionsabtrag im Ringspalt von der Behälteraußenwand vorzubeugen, sollte dieser Bereich durch ein Verstärkungsblech geschützt werden. 5. Im unteren Behälterbereich sollten bis zur Höhe des Normalstandes der Flüssigkeit vier Bleche angebracht werden, um die Rotation der Flüssigkeit abzubremsen. Die Breite der Bleche sollte ca. 10% vom Behälterdurchmesser betragen. 6. Die Höhe des Mindeststandes wird über eine empirische Gleichung bestimmt und sollte mindestens 225 mm betragen. 7. Die Höhe über der Ringkammer sollte 0.75 x Behälterdurchmesser betragen. Handbuch VSA 1 Auslegungsgrundlagen 4

2 Vorgehensweise Bauarten Folgende Bauarten werden empfohlen: Betriebsfall Alle Abscheider mit einem Demister Wenn in der Zuführungsleitung Blasenströmung vorliegt Wenn Schwallströmung vorliegt Wenn ein hoher Abscheidegrad gewünscht ist und kein Demister verwendet werden kann Alle anderen Fälle Eintritt Schlitz oder Lochverteiler Schlitz oder Lochverteiler. (Ein liegender Abscheider wird für diese Strömungsform empfohlen) Schlitz / Lochverteiler oder tangentialer Eintritt mit Ringkammer Tangentialer Eintritt mit Ringkammer Randstutzen oder 90 Eintrittsrohr Generell Das Programm bietet die Möglichkeiten zwischen den verschiedenen Typen zu wählen, und damit den kostengünstigsten Abscheider zu entwerfen. Dabei werden alle vom Benutzer getroffenen Vorgaben eingehalten, und die auf den verwendeten empirischen Gleichungen beruhenden Daten berücksichtigt. Wichtig! Die dem Programm zu Grunde liegenden Korrelationen beziehen sich nicht auf kleine Baugrößen, da die verwendeten Mindestmaße zu unproportionalen Abscheidern führen können. Der Durchmesser sollte 500 mm nicht unterschreiten. Regel: Der kleinste Abscheider wird der mit einem Demister und Verteiler sein, allerdings nicht immer der kostengünstigste. Handbuch VSA 2 Vorgehensweise 5

Die wichtigste Größe neben der Wahl des Eintrittes ist der Behälterdurchmesser. Physikalisch wird er durch den abzuscheidenen Grenztropfen ohne Demister oder durch den Demister festgelegt. Der Behälterdurchmesser kann über die Vorgabe eines veränderten Grenztropfens (Aktueller Tropfen) vergrößert oder verkleinert werden. Der Grenztropfen, der zur kritischen Geschwindigkeit gehört, wird angezeigt. Gleiches kann erreicht werden, indem die aktuelle Geschwindigkeit verändert wird, wodurch sich auch der aktuelle Grenztropfen ändert. Dies liegt beim Anwender, der, wenn kein Demister vorgesehen ist, die Entscheidung über den Grenztropfen treffen muß. Mit den besonderen Möglichkeiten des ATLAS-Systems (siehe Handbuch) können Parameterstudien durchgeführt werden, die dem Anwender ein Gefühl für den Einfluß der verschiedenen Daten auf seinen Abscheider geben. Auslegung eines Abscheiders Zur Auslegung eines Abscheiders muß der Verteilertyp festgelegt und entschieden werden, ob mit oder ohne Gestrick abgeschieden werden soll. Verteilertyp und Gestrickauswahl können jederzeit geändert werden. Aus den Stoffwerten der Flüssigkeit und des Gases ergibt sich im Abscheider eine kritische Geschwindigkeit die nicht überschritten werden sollte um den sich daraus ergebenden Grenztropfen noch abzuscheiden zu können Wird ein Abscheider mit Gestrick verwendet, so kann die kritische Geschwindigkeit um den Faktor vmax erhöht werden, da das Gestrick einen höheren Abscheidegrad bewirkt. Der Abstand x ist die mindestens erforderliche Distanz zwischen Verteileraustritt und Flüssigkeitsoberfläche, um Flüssigkeitsaustrag von dieser zu vermeiden. Der Abstand h1 ist die minimale Distanz zwischen dem Flüssigkeitsaustritt und dem LowLiquidLevel des Flüssigkeitsspiegels. Die Höhen h2 und h3 ergeben sich aus den vorgegebenen Verzweilzeiten zwischen dem LowLiquidLevel und dem HighLiquidLevel bzw. dem HighLiquidLevel und dem EmergencyLiquidLevel. Der Abstand h4 ergibt sich aus dem Verteilertyp und der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Verteiler, um keinen Flüssigkeitsaustrag von der Flüssigkeitsoberfläche zu zulassen. Die Höhen h3 und h4 ergeben den Abstand x. Der Abstand h5, bei einem Abscheider ohne Gestrick, von Gaseintritt zum Gasaustritt ist mit 0.7*Behälterdurchmesser D festgelegt. Der Abstand h6 zwischen Gaseintritt und Gestrick beträgt 0.7*Behälterdurchmesser D. Die Höhe h7 bezeichnet den Abstand zwischen dem Gestrick und dem Gasaustritt. Bei der Benutzung eines Schlitz- oder Lochverteilers wird überprüft, ob der vorgesehen Verteiler aufgrund seiner Geometrie überhaupt in den Abscheider paßt. Ist er zu groß, so erscheint eine Fehlermeldung. Beim tangentialen Ringstutzen ist die Geschwindigkeit im Eintrittsrohr auf 67 m/s begrenzt. Programmerweiterungen Strömungsform im Zulauf Maßstabsgerechte Zeichnung Beide Erweiterungen werden in Kürze im Programm verfügbar sein. Handbuch VSA 2 Vorgehensweise 6