Diese Seite gibt einen Überblick über die verfügbaren Verfahrenstechnologien zur Abscheidung von Stäuben und Pulvern aus einem Gasstrom, insbesondere Filter, Zyklone oder Nasswäscher.

1. Einführung - Bedeutung von Feststoff-Gas-Abscheidern in der Industrie

Die Trennung von Gas und den darin enthaltenen Feststoffen ist in der Verfahrenstechnik von großer Bedeutung und wird mit verschiedenen Methoden durchgeführt. Feststoffe können gezielt im Gasstrom enthalten sein, wie z. B. in einer pneumatischen Förderleitung, falls eine 100%ige Rückgewinnung des Feststoffs am Ende der Transportphase für einen wirtschaftlichen Prozess erforderlich ist. Die Feststoffe können jedoch auch als Verunreinigung in Form von Staub vorliegen, wobei wachsende Umweltbedenken den Einsatz eines Staubabscheidesystems erfordern, um das Gas vor der Emission in die Atmosphäre zu reinigen.

Es existieren verschiedene Trennungstechnologien, die unterschiedlichen Zwecken dienen. In dieser Webseite werden Zyklone, Nasswäscher und Filter vorgestellt.

2. Die verschiedenen physikalischen Phänomene bei der Feststoff-Gas-Trennung

Welche Methoden gibt es, um einen Feststoff von einem Gas zu trennen?

Trägheitsabscheidung

Ein solches Abscheidungsphänomen wird gut durch die Stokes-Zahl repräsentiert, die für ein Partikel in einem Fluidstrom berechnet werden kann.

Gleichung 1: Stokes-Zahl

Sk = Trägheitskraft / Viskositätskraft
ρ_D=spezifische Dichte der dispergierten Phase (Feststoffe) (kg/m³)
u_CD=u_C-u_D=Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dispergierter und kontinuierlicher Phase (m/s)
d=Partikeldurchmesser (m) – bei ungleichen Abmessungen d50 verwenden
C_m=Korrektur des Widerstandsbeiwerts nach Cunningham-Millikan
μ_c=Viskosität der kontinuierlichen Phase (Pa·s)
D_c=charakteristische Abmessung der Trennvorrichtung

Ist die Stokes-Zahl niedrig, bedeutet dies, dass das Partikel dazu neigt, dem Fluid zu folgen, wenn es die Richtung ändert: Es wird schwierig sein, sie in einem nach dem Trägheitsprinzip konstruierten Abscheider zu trennen.

Folgender Prozess findet statt: Wenn der Strom aus Partikeln + Fluid einem bestimmten Hindernis (z. B. einer Platte) ausgesetzt wird, können Partikel mit zu großem Durchmesser (d. h. mit hoher Stokes-Zahl) den Fluidlinien um das Hindernis nicht folgen und werden durch Trägheitsimpakt am Hindernis abgeschieden. Der erste Durchmesser, bei dem Partikel nicht mehr abgeschieden werden, ist der "Trenngrenzdurchmesser" des Abscheiders.

Diffusionsabscheidung – Brownsche Bewegung

Bei sehr kleinen Partikeln (Durchmesser < 1 Mikrometer) dominiert die Brownsche Bewegung als physikalisches Phänomen. Diffusionsübertragung, die zur Abscheidung der kleinen Partikel führen kann, steht im Wettbewerb mit konvektiver Übertragung.

Ist der konvektive Transport hoch (hohe Fluidgeschwindigkeit), ist eine Abscheidung nicht möglich. Folglich erfordert das Abscheiden sehr kleiner Partikel eine niedrige Fluidgeschwindigkeit, um den Partikeln die Möglichkeit zu geben, durch Brownsche Bewegung zu einem Abscheideziel zu gelangen.

Schwerkraftabscheidung

Dies ist ein spezieller Abscheidemodus, der typischerweise in Abscheidern mit einem Beruhigungsvolumen, insbesondere für große Partikel, verwendet wird. Die Partikel sedimentieren aufgrund einer höheren Sinkgeschwindigkeit im Vergleich zur Gasgeschwindigkeit.

3. Die verschiedenen verfügbaren Anlagen zur Trennung von Feststoffen und Gasen

Welche gängigen Gas-Feststoff-Trenntechniken gibt es?

Die folgende Tabelle listet die wichtigsten Feststoff-Gas-Trennverfahren auf, die in der Verfahrenstechnik zu finden sind.

Tabelle 1: Industrielle Feststoff-Gas-Abscheider

Ausrüstung	Ausführlich auf dieser Seite
Schwerkraftabscheider	Nein
Zyklone	Ja
Nasswäscher	Ja
Elektroabscheider	Nein
Filter	Ja

Alle diese Anlagen können als industrielle Staubabscheider eingesetzt werden. Einige davon, insbesondere Zyklone in Kombination mit Filtern , können am Ende pneumatischer Förderleitungen positioniert werden, um das geförderte Produkt zurückzugewinnen. Nasswäscher oder Elektrofilter werden eher in stark verdünnten Strömen als Staubabscheidesysteme eingesetzt, um die Staubkontrolle für die aus dem Prozess austretende Luft zu gewährleisten, indem Feststoffpartikel aus Abgasen abgeschieden werden.

4. Zyklone

Zyklone sind sehr einfache Anlagen, die nach dem Trägheitstrennprinzip arbeiten. Gas und Partikel treten tangential in den Zyklon ein (in der Regel bestehend aus einem zylindrischen Körper, einem konischen Feststoffaustrag und einem axialen Gasauslass oben).

Ein Wirbel entsteht durch die wirkende Zentrifugalkraft, wodurch das Gas in einer spiralförmigen Bewegung zur konischen Unterseite strömt. Partikel mit zu großem Durchmesser werden dabei an die Wand gedrückt und vom Gas getrennt. Im konischen Bereich kehrt die Gasströmung ihre Richtung um und steigt durch den zentralen Teil des Zyklons nach oben, um schließlich durch das obere Gasauslassrohr auszutreten. Die Feststoffe bewegen sich entlang der Wand nach unten und werden am Boden des konischen Teils gesammelt.

Es ist zu beachten, dass das Gas beim Umkehren seiner Richtung erneut Feststoffe aufnehmen kann (Wiedermitnahme), was die Trennwirkung verringert. Um solche Phänomene zu vermeiden, sind die Auslegung des Zyklons und dessen Betrieb (es darf sich niemals Feststoff im Konus ansammeln) von entscheidender Bedeutung.

Abbildung 1: Zyklonauslegung und Prinzip der Abscheidung

5. Nassabscheider (Wäscher)

Nassabscheider sind hochwirksame Feststoff-Gas-Abscheider, die nach dem Prinzip der Kontaktierung der Partikel mit einer Flüssigkeit (meist Wasser) arbeiten. Während Zyklone oft auf Partikelgrößen > 1 Mikrometer beschränkt sind, können Nassabscheider auch Partikel deutlich unter 1 Mikrometer abtrennen. Ihre Effizienz beruht hauptsächlich darauf, dass sie verschiedene Abscheidemechanismen kombinieren.

• Trägheitsabscheidung (Partikel treffen auf die benetzten Innenflächen – ggf. Einbauten – des Wäschers)
• Auffangabscheidung (Partikel werden von Wassertropfen oder benetzten Oberflächen erfasst, wenn sie nah genug vorbeiströmen)
• Diffusionsabscheidung (für sehr kleine Partikel < 0,3 Mikrometer)

In manchen Fällen werden diese Mechanismen durch weitere Effekte verstärkt, die auf Feuchtigkeit zurückzuführen sind (z. B. Kondensation auf einem Partikel oder Agglomeration von Partikeln).

Abbildung 1: Nassabscheider-Auslegung und Prinzip der Abscheidung

Nassabscheider weisen jedoch einen erheblichen Nachteil auf: Sie erzeugen große Mengen an Schlämmen, die anschließend weiterbehandelt werden müssen. Angesichts der heutigen Umweltanforderungen sollte der Einsatz von Nassabscheidern auf Anwendungen beschränkt bleiben, bei denen die entstehenden Abwässer einfach genutzt werden können oder bei denen andere Abscheideverfahren definitiv nicht einsetzbar sind.

6. Filter

Gas und Feststoff können auch durch ein festes Medium, genannt Filter, getrennt werden. Bei der Trennung von Gas und Feststoffen wirken verschiedene Mechanismen, wobei sich die physikalischen Vorgänge je nach Zustand des Filters ändern – ob dieser neu ist oder bereits eine Zeit lang in Betrieb war.

Bei einem neuen Filter dringen die Partikel tief in die Filterstruktur ein und werden (je nach Effizienz des Filters, wie bei anderen Trennverfahren auch) durch Trägheit und Diffusion abgeschieden.

Während des Betriebs sammeln sich Partikel im und auf der Oberfläche des Filtersan und bilden schließlich einen Filterkuchen. Die anschließende Filtration erfolgt somit sowohl innerhalb des Filters als auch durch den gebildeten Kuchen. Je größer die Menge der Partikel, desto höher wird der Druckverlust. Dann ist es erforderlich, das Filterzu ersetzen oder zu reinigen.

Die Reinigung erfolgt manchmal automatisch durch Umkehrung der Gasströmung. Dies ist besonders bei Schlauchfiltern nützlich, die am Ende von pneumatischen Förderleitungen installiert sind. Bei pneumatischen Förderanlagen machen die hohen Feststoffbeladungen und der Prozesszweck die Filtration zur einzigen Wahl für die Produktabscheidung; sie wird manchmal mit einem Zyklon kombiniert, um eine zu schnelle Sättigung des Filters zu vermeiden.

Ein zentraler Auslegungsparameter für Filter ist die Filtergeschwindigkeit (auch als Gas-zu-Gewebe-Verhältnis bezeichnet). Sie liegt in der Regel bei etwa 1–5 cm/s, abhängig von der Technologie; Ausnahmen bilden z. B. Vorfilter von Klimaanlagen, die bis zu 1,5 m/s erreichen können.

Quellen

Grundlagen der Pulvertechnologie
Mechanische Grundoperationen: Entstaubung, Entnebelung, N. Midoux, Vorlesung ENSIC