Umweltschutz Optimierte Trennung

Von einem tangentialen Einlass aus strömen die Gase spiralförmig abwärts. In dem konischen Behälter kehrt sich ihre Strömungsrichtung um, und die Partikel lagern sich in einem Bunker ab. Das so...

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Von einem tangentialen Einlass aus strömen die Gase spiralförmig abwärts. In dem konischen Behälter kehrt sich ihre Strömungsrichtung um, und die Partikel lagern sich in einem Bunker ab. Das so entstandene Reingas strömt in einer inneren Kernströmung aufwärts zum Gasaustritt. Die Rede ist von einem Zyklon-Separator, einer verfahrenstechnischen Einrichtung, die eine zentrifugale Trennung von festen Materialien aus fluiden Strömungen heraus ermöglicht. Zyklon-Abscheider stellen effektive Apparate zur Trennung von Gas-, Flüssigkeits- oder Feststoffanteilen in der Verfahrens- und Umwelttechnik dar. Obwohl andersartige Abscheider, wie Filteranlagen oder Wäscher, Zyklone teils verdrängen, konnten sich diese aufgrund ihrer Robustheit und Unempfindlichkeit bei hohen Drücken und Temperaturen weiter behaupten. Zyklone werden bei Drücken bis zu 100 bar sowie Temperaturen bis zu 1200 °C eingesetzt. Es bleibt aber festzustellen, dass Zyklone im Feinststaubbereich eine unbefriedigende Abscheideleistung aufweisen. „Nach der klassischen Auslegung ist es nicht möglich, einen Zyklon zu betreiben, der Nano-Partikel abscheidet“, erläutert Gernot Trommer, Geschäftsführer der Suvis GmbH in Chemnitz. „Simulationen liefern eine anschauliche Erklärung, wie eine derartige Abscheidung doch funktionieren kann, denn sie ermöglichen einen Einblick in das gesamte Strömungsfeld innerhalb des Zyklons.“Numerische Berechnungsmethoden haben sich zu einem effektiven Werkzeug zur Auslegung und Optimierung von Zyklon-Abscheidern entwickelt. Eine mögliche Anwendung dieser Berechnungsverfahren besteht in der computergestützten Untersuchung der Partikelabscheidung aus Gasen in Zyklonen-Abscheidern. Die Vorhersage des Abscheidegrads erlaubt eine Optimierung des Einsatzes konventioneller Zyklone und die Entwicklung völlig neuartiger Hochleistungszyklone. „Hierdurch können in vielen Fällen im Betrieb teure Filteranlagen, Nasswäscher oder auch Elektrofilter ersetzt oder zumindest kostenreduzierend ergänzt werden“, sagt Trommer. Allerdings bestehen auch Probleme bei der Simulation der Strömung in Zyklonen. In vielen Fällen wird der Sammelbehälter durch einen Apexkegel von der Hauptströmung des Zyklons getrennt, damit die Drallströmung nicht bis in den Bunker hineinreicht. Der Unterdruck im Zentrum der Strömung würde bereits abgeschiedene Partikel wieder mitreißen und mit dem Reingas zum Gasaustritt befördern. Bei einer Auslegung muss auch die Verstopfungsgefahr durch den Apexkegel im Betrieb berücksichtigt werden, insbesondere bei sperrigen Trenngütern wie Metall- oder Holzspänen.Strömungsberechnung als Grundlage für SimulationenDer größte Teil der Energiedissipation im Betrieb findet im Tauchrohr statt, weshalb die Tauchrohrströmung maßgeblich den Druckverlust beeinflusst. Entsprechend wichtig ist somit die Auslegung des Tauchrohrs. „Die hohe inhomogene Turbulenz in Zyklonen zwingt zur Auswahl eines höheren Turbulenzmodells. In unseren Untersuchungen hat sich gezeigt, dass das Large-Eddy-Simulationsmodell gut geeignet ist, die Strömung in Gaszyklonen zu simulieren“, erklärt Gernot Trommer. Zwar steht das Abscheideverhalten im Vordergrund, doch die Berechnung der Grundströmung bietet die Grundlage für weitere Simulationen. Zyklon-Abscheider sind in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt worden. Gegenwärtig existiert eine große Anzahl unterschiedlicher Typen für verschiedene industrielle Anwendungen. Die Simulation kann dazu beitragen, Zyklone auch für die Abscheidung von Sondergütern zu nutzen.MM