Afmeting elektrostatisch filter: stapsgewijze snelmethode voor dimensionering

Landen hebben door de jaren heen steeds strengere regelgeving geïmplementeerd voor luchtkwaliteitsbeheersing, met name voor de emissie van fijn stof. Het kan bijzonder moeilijk en kostbaar zijn om deze fijne deeltjes uit de luchtuitstoot van grote chemische fabrieken of energiecentrales te verwijderen. Een oplossing om grote hoeveelheden gas te reinigen is het gebruik van een **elektrostatisch filter**. Deze pagina presenteert een snelmethode om de afmeting van een kanaaltype elektrostatisch filter te schatten die vereist is voor een specifieke toepassing. De dimensioneringsprocedure wordt stapsgewijs weergegeven voor eenvoudig begrip en toepassing.

1. STAP 1: Gegevens verzamelen

U moet de volgende gegevens verzamelen over de te reinigen gasstroom, het doel-gasreinheidniveau en het verwachte gedrag van de deeltjes in het elektrostatisch filter:

• Volumetrische gasstroomsnelheid
• Inlaatconcentratie deeltjes in gas
• Doel-uitlaatconcentratie deeltjes in gas
• Driftsnelheid van de deeltjes
• Aanname: aantal secties voor het filter

Wat is de efficiëntie van een wervelbed?

De efficiëntie van een wervelbed vertegenwoordigt het aandeel deeltjes dat door het wervelbed kan worden vastgehouden:

Efficiëntie = (inlaatbelasting − uitlaatbelasting) / inlaatbelasting × 100

waarbij:

Efficiëntie = efficiëntie van het wervelbed (%)
inlaatbelasting = concentratie van vaste stoffen in het gas dat het wervelbed binnenkomt (kg/m^³ of grains/ft^³)
uitlaatbelasting = concentratie van vaste stoffen in het gas dat het wervelbed verlaat (kg/m^³ of grains/ft^³)

2. Berekening van de efficiëntie van een wervelbed: stapsgewijze berekening

2.1 STAP 1: verzamel de gegevens

U moet gegevens verzamelen over: het te controleren wervelbed, de gasstroom en de kenmerken van de vaste-deeltjes.

• Diameter van het wervelbed
• Breedte van de gasinlaat van het wervelbed
• Aantal effectieve windingen in het wervelbed
• Inlaatbelasting deeltjes in gas
• Deeltjesdiameter
• Dichtheid van de deeltjes
• Inlaattemperatuur van het gas
• Inlaatviscositeit van het gas
• Inlaatsnelheid van het gas

2.2 STAP 2: Berekening snijdiameter

De snijdiameter is de diameter van deeltjes waarbij 50% van deze deeltjes door het wervelbed wordt afgevangen. Grotere deeltjes worden met >50% efficiëntie afgevangen, kleinere deeltjes met <50%.

De snijdiameter kan worden berekend met de volgende formule [Chopey]:

d_{_pc_} = [9*μ*B_{_c_} / 2*π*n_{_t_} * v_{_i_} * (ρ_{_p_} − ρ)]^{^0,5}

Met:

d_{_pc_} = snijdiameter (micron)
μ = gasviscositeit (lb/ft·s)
B_{_c_} = breedte wervelbed-inlaat (ft)
n_{_t_} = aantal effectieve windingen in het wervelbed (-)
v_{_i_} = inlaatsnelheid gas (ft/s)
ρ_{_p_} = deeltjesdichtheid (lb/ft^³)
ρ = gasdichtheid (lb/ft^³)

2.3 STAP 3: Bereken de verhouding tussen de gemiddelde deeltjesdiameter en de snijdiameter

De verhouding is gelijk aan:

deeltjesgrootte-verhouding = d_{_p_}/d_pc

Met:

d_p = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de instroom (micron)
d_pc = snijdiameter (micron)

2.4 STAP 4: Schat de efficiëntie van de cycloon

Om snel de efficiëntie van de cycloon te schatten op basis van bovenstaande berekeningen, kan de curve van Lapple worden gebruikt. Deze nomogram wordt hieronder weergegeven:

Men moet de deeltjesgrootteverhouding gebruiken om de efficiëntie van een cycloon te schatten.

Het is ook mogelijk om de volgende formule [Chopey] te gebruiken:

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

Met:

E = Efficiëntie van de cycloon (%)
d_p = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de instroom (micron)
d_pc = snijdiameter (micron)

2.5 STAP 5: Schat de deeltjesbelasting in de uitstroom

Zodra de efficiëntie van de cycloon is geschat, is het ook mogelijk om de belasting van de gasstroom uit de cycloon te schatten.

uitstroom_belasting = instroom_belasting*(1-E)

3. Voorbeeld van efficiëntieschatting voor een cycloon

Een fabriek moet het niveau van deeltjesemissies uit een specifieke werkplaats verminderen. Er is een tweedehands cycloon beschikbaar, met een diameter van 0,6 m, een inlaatbreedte van 0,15 m en geschikt voor 5 effectieve omwentelingen. De fabriek wil weten wat de efficiëntie van de cycloon zal zijn bij de luchtafvoer van de werkplaats met een belasting van 17,65 grains/m³, met vaste deeltjes van 2500 kg/m³ en een gemiddelde diameter van 10 micron. Onder de gegeven omstandigheden bedraagt de inlaatsnelheid van de luchtstroom 15 m/s, de luchtviscositeit is 1,8·10⁻⁵ Pa·s en de luchtdichtheid is 1,2 kg/m³.

3.1 STAP 1: Verzamel de invoergegevens voor de berekening

Uit bovenstaande gegevens kunnen de volgende parameters worden geïdentificeerd:

μ = gasviscositeit (Pa·s) = 1,8·10⁻⁵ Pa·s
B_c = inlaatbreedte cycloon (m) = 0,15 m
n_t = aantal effectieve omwentelingen in de cycloon (-) = 5
v_i = inlaatsnelheid gas (m/s) = 15 m/s
ρ_p = deeltjesdichtheid (kg/m^³) = 2500 kg/m^³
ρ = gasdichtheid (kg/m^³) = 1,2 kg/m^³
d_p = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de instroom (micron) = 10 micron

3.2 STAP 2: Bereken de snijdiameter

De volgende formule kan worden gebruikt om de snijdiameter te berekenen:

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

Men moet er echter op letten dat de invoerwaarden moeten worden omgerekend naar imperiale eenheden.

μ = gasviscositeit (Pa·s) = 1,8·10⁻⁵ Pa·s = 1,21·10⁻⁵ lb/ft·s
B_c = inlaatbreedte cycloon (m) = 0,15 m = 0,49 ft
n_t = aantal effectieve omwentelingen in de cycloon (-) = 5
v_i = inlaatsnelheid gas (m/s) = 15 m/s = 49,2 ft/s
ρ_p = deeltjesdichtheid (kg/m³) = 2500 kg/m³ = 156 lb/ft³³
ρ = gasdichtheid (kg/m³) = 1,2 kg/m³ = 0,075 lb/ft³³
dp = gemiddelde deeltjesdiameter van de deeltjes in de inlaatstroom (micron) = 10 micron

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

3.3 STAP 3: Bereken de deeltjesgrootteverhouding

De deeltjesgrootteverhouding is eenvoudig d_p/d_pc = 2,2

3.4 STAP 4: Bereken de scheidingsefficiëntie van de cycloon (schatting)

De efficiëntie kan worden geschat met de volgende formule:

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

De efficiëntie voor deze toepassing wordt dus geschat op 82,9%

Het is altijd raadzaam om dit te verifiëren met de curve van Lapple.

3.5 STAP 5: Schat de deeltjesbelasting in de uitlaatstroom

Aan de hand van de efficiëntie van 0,829 kan de belasting van de luchtstroom die de cycloon verlaat, als volgt worden berekend:

uitlaat_belasting = inlaat_belasting*(1-E) = 17,65*(1-0,829) = 3,02 korrels/m³

De cycloonoperator kan deze waarde vervolgens vergelijken met de geldende regelgeving en bepalen of de cycloon geschikt is.

4. Gratis Excel-berekeningstool voor het schatten van de efficiëntie van een cycloon

De efficiëntie van een cycloon, gebaseerd op de hierboven getoonde berekeningen, kan worden geschat met deze gratis Excel-calculator: Berekeningstool - Schatting cycloon-efficiëntie

Waarschuwing: deze calculator wordt aangeboden ter illustratie van de concepten die op deze webpagina worden genoemd, en is niet bedoeld voor gedetailleerd ontwerp. Raadpleeg een gerenommeerd ingenieursbureau voor alle gedetailleerde ontwerpen die u mogelijk nodig heeft.

Bron

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