Auslegung eines Elektrofilters: Schritt-für-Schritt-Kurzberechnung

Länder haben im Laufe der Jahre zunehmend strengere Vorschriften zur Luftreinhaltung erlassen, insbesondere in Bezug auf die Emission von Feinstpartikeln. Die Abscheidung dieser Feinpartikel aus den Abluftströmen großer chemischer Fabriken oder Kraftwerke kann besonders schwierig und kostspielig sein. Eine Lösung zur Reinigung großer Gasmengen besteht in der Verwendung eines **Elektrofilters**. Diese Seite stellt eine **Kurzberechnung** vor, um die Auslegung eines **kanalartigen Elektrofilters** für eine bestimmte Anwendung abzuschätzen. Das Auslegungsverfahren wird Schritt für Schritt erläutert, um das Verständnis und die Anwendung zu erleichtern. the sizing of a duct type electrostatic precipitator required for a particular application. The sizing procedure is given step by step for ease of understanding and application.

1. SCHRITT 1: Datenerfassung

Folgende Daten müssen für den zu reinigenden Gasstrom, das Ziel-Reingas sowie das erwartete Verhalten der Partikel im Elektrofilter erfasst werden:

• Volumenstrom des Gases
• Partikelbeladung im Eintrittsgas
• Ziel-Partikelbeladung im Austrittsgas
• Driftgeschwindigkeit der Partikel
• Anzahl der angenommenen Abschnitte (Felder) des Elektrofilters

Was ist der Abscheidegrad eines Zyklons?

Der Abscheidegrad eines Zyklons gibt den Anteil der Partikel an, die vom Zyklon zurückgehalten werden:

Abscheidegrad = (Eintragsbeladung – Austragsbeladung) / Eintragsbeladung × 100

mit:

Abscheidegrad = Abscheidegrad des Zyklons (%)
Eintragsbeladung = Feststoffkonzentration im eintretenden Gas (kg/m^³ oder grains/ft^³)
Austragsbeladung = Feststoffkonzentration im austretenden Gas (kg/m^³ oder grains/ft^³)

2. Berechnung des Abscheidegrads eines Zyklons: Schritt-für-Schritt-Berechnung

2.1 SCHRITT 1: Datensammlung

Folgende Daten müssen erfasst werden: Zyklongeometrie, Gasstrom und Partikeleigenschaften.

• Zyklondurchmesser
• Eintrittsbreite des Zyklons
• Anzahl der effektiven Umdrehungen im Zyklon
• Partikelbeladung im Eintrittsgas
• Partikeldurchmesser
• Partikeldichte
• Gaseintrittstemperatur
• Gasviskosität am Eintritt
• Gaseintrittsgeschwindigkeit

2.2 SCHRITT 2: Berechnung des Trenndurchmessers

Der **Trenndurchmesser** ist der Partikeldurchmesser, bei dem 50 % der Partikel dieser Größe vom Zyklon abgeschieden werden. Größere Partikel werden zu >50 % abgeschieden, kleinere zu <50 %.

Der Trenndurchmesser kann mit folgender Formel [Chopey] berechnet werden:

d_pc = [9·μ·B_c / 2·π·n_t·v_i·(ρ_p – ρ)]^⁰․⁵

Mit:

d_pc = Trenndurchmesser (Mikrometer)
μ = Gasviskosität (lb/ft·s)
B_c = Eintrittsbreite des Zyklons (ft)
n_t = Anzahl der effektiven Umdrehungen im Zyklon (–)
v_i = Gaseintrittsgeschwindigkeit (ft/s)
ρ_p = Partikeldichte (lb/ft^³)
ρ = Gasdichte (lb/ft^³)

2.3 SCHRITT 3: Berechnung des Verhältnisses von mittlerem Partikeldurchmesser zum Trenndurchmesser

Das Verhältnis beträgt:

Partikelgrößenverhältnis = d_p/d_pc

Mit:

d_p = mittlerer Partikeldurchmesser der Partikel im Eintrittsstrom (Mikrometer)
d_pc = Trennkorngröße (Mikrometer)

2.4 SCHRITT 4: Abschätzung des Zyklonwirkungsgrads

Um den Zyklonwirkungsgrad schnell aus den obigen Berechnungen abzuschätzen, kann die Lapple-Kurve verwendet werden. Das entsprechende Nomogramm ist unten dargestellt:

Zur Abschätzung des Zyklonwirkungsgrads muss das Partikelgrößenverhältnis verwendet werden.

Alternativ kann folgende Formel [Chopey] verwendet werden:

Wirkungsgrad = E = 1/(1+(d_p_c/d_p)^{^2})

Mit:

E = Wirkungsgrad des Zyklons (%)
d_p = mittlerer Partikeldurchmesser der Partikel im Eintrittsstrom (Mikrometer)
d_pc = Trennkorngröße (Mikrometer)

2.5 SCHRITT 5: Abschätzung der Partikelfracht im Austrittsstrom

Sobald der Wirkungsgrad des Zyklons abgeschätzt wurde, kann auch die Staubbeladung des Gasstroms am Zyklonaustritt berechnet werden.

austrittsbeladung = eintrittsbeladung * (1 - E)

3. Beispiel zur Abschätzung des Zyklonwirkungsgrads

Ein Betrieb muss den Partikelemissionspegel einer bestimmten Werkhalle reduzieren. Ein gebrauchter Zyklon mit einem Durchmesser von 0,6 m, einer Eintrittsbreite von 0,15 m und einer Auslegung für 5 effektive Umläufe steht zur Verfügung. Der Betrieb möchte wissen, wie hoch die Effizienz des Zyklons sein wird bei der Abluft der Werkhalle mit einer Beladung von 17,65 grains/m³, Feststoffpartikeln mit einer Dichte von 2500 kg/m³ und einem mittleren Durchmesser von 10 Mikrometern. Unter den gegebenen Bedingungen beträgt die Eintrittsgeschwindigkeit des Luftstroms 15 m/s, die Luftviskosität 1,8·10⁻⁵ Pa·s und die Luftdichte 1,2 kg/m³.

3.1 SCHRITT 1: Sammeln der Eingabedaten für die Berechnung

Aus den obigen Daten lassen sich folgende Parameter identifizieren:

μ = Gasviskosität (Pa·s) = 1,8·10⁻⁵ Pa·s
B_c = Eintrittsbreite des Zyklons (m) = 0,15 m
n_t = Anzahl der effektiven Umläufe im Zyklon (-) = 5
v_i = Eintrittsgeschwindigkeit des Gases (m/s) = 15 m/s
ρ_p = Partikeldichte (kg/m^³) = 2500 kg/m^³
ρ = Gasdichte (kg/m^³) = 1,2 kg/m^³
d_p = mittlerer Partikeldurchmesser der Partikel im Eintrittsstrom (Mikrometer) = 10 Mikrometer

3.2 SCHRITT 2: Berechnung der Trennkorngröße

Zur Berechnung der Trennkorngröße kann folgende Formel verwendet werden:

d_pc = [9*μ*B_c/(2*π*n_t*v_i*(ρ_p-ρ))]^{^0,5}

Zu beachten ist, dass die Eingabewerte in imperiale Einheiten umgerechnet werden müssen.

μ = Gasviskosität (Pa·s) = 1,8·10⁻⁵ Pa·s = 1,21·10⁻⁵ lb/ft·s
B_c = Eintrittsbreite des Zyklons (m) = 0,15 m = 0,49 ft
n_t = Anzahl der effektiven Umläufe im Zyklon (-) = 5
v_i = Eintrittsgeschwindigkeit des Gases (m/s) = 15 m/s = 49,2 ft/s
ρ_p = Partikeldichte (kg/m³) = 2500 kg/m³ = 156 lb/ft³³
ρ = Gasdichte (kg/m³) = 1,2 kg/m³ = 0,075 lb/ft³³
dp = mittlerer Partikeldurchmesser der Partikel im Eintrittsstrom (Mikrometer) = 10 Mikrometer

d_pc = [9*1,21*10^-5*0,49/2*π*5*49,2*(156-0,075)]^0,5 = 4,54 Mikrometer

3.3 SCHRITT 3: Berechnung des Partikelgrößenverhältnisses

Das Partikelgrößenverhältnis ist einfach d_p/d_pc = 2,2

3.4 SCHRITT 4: Abschätzung des Zyklonabscheidegrads

Der Abscheidegrad kann mit folgender Formel abgeschätzt werden:

Abscheidegrad = E = 1/(1+(d_c/d_p)^²) = 1/(1+(1/2,2)²) = 0,829

Der Abscheidegrad wird für diese Anwendung somit auf 82,9 % geschätzt.

Es ist immer ratsam, die Ergebnisse mit der Lapple-Kurve zu überprüfen.

3.5 SCHRITT 5: Abschätzung der Partikelbeladung im Austrittsstrom

Mit dem Abscheidegrad von 0,829 kann die Beladung des austretenden Luftstroms wie folgt berechnet werden:

Austrittsbeladung = Eintrittsbeladung*(1-E) = 17,65*(1-0,829) = 3,02 Körner/m³

Der Zyklonbetreiber kann diesen Wert dann z. B. mit den gesetzlichen Vorgaben vergleichen und die Eignung des Zyklons beurteilen.

4. Kostenloses Excel-Berechnungstool zur Abschätzung des Zyklonabscheidegrads

Der Abscheidegrad eines Zyklons kann basierend auf den oben gezeigten Berechnungen mit diesem kostenlosen Excel-Rechner abgeschätzt werden: Berechnungstool – Abschätzung des Zyklonabscheidegrads

Hinweis: Dieser Rechner dient der Veranschaulichung der in dieser Webseite erwähnten Konzepte, er ist nicht für die detaillierte Auslegung vorgesehen.. Bitte konsultieren Sie für alle detaillierten Auslegungen einen anerkannten Fachplaner.

Quelle

[Chopey] "Handbook of Chemical Engineering Calculations", Chopey, McGraw Hill