Zyklonabscheidegrad : Schritt-für-Schritt-Kurzberechnung

Zyklone sind dafür ausgelegt, Feststoffpartikel aus einem Gasstrom abzuscheiden. Zyklone sind jedoch nicht perfekt und können in der Regel nicht den gesamten Staub aus einem gegebenen Gas abscheiden. Die Fähigkeit eines Zyklons, Partikel aus einem Gasstrom abzuscheiden, wird als **Abscheidegrad des Zyklons** bezeichnet. Diese Seite stellt eine **Kurzberechnung** vor, um den Abscheidegrad eines Zyklons zu **schätzen**.

1. Abscheidegrad eines Zyklons

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: Datenerfassung

Folgende Daten müssen erhoben werden: Zyklongeometrie, Gasstromparameter und Eigenschaften der Feststoffpartikel.

• Zyklondurchmesser
• Eintrittsbreite des Gases in den Zyklon
• Anzahl der effektiven Windungen im Zyklon
• Partikeleintragsbeladung im Gas
• Partikeldurchmesser
• Dichte der Partikel
• Gaseintrittstemperatur
• Gasviskosität am Eintritt
• Gaseintrittsgeschwindigkeit

2.2 SCHRITT 2: Berechnung des Trennkorndurchmessers

Der Trennkorndurchmesser (dₚₖ) ist der Partikeldurchmesser, bei dem 50 % der Partikel dieser Größe vom Zyklon abgeschieden werden. Größere Partikel werden zu >50 % abgeschieden, kleinere zu <50 %.

Der Trennkorndurchmesser lässt sich mit folgender Formel [Chopey] berechnen:

d_ₚₖ = [9·μ·B_ₑ/2·π·n_ₑₓₚ·v_ₑ·(ρ_ₚ – ρ)]^⁰․⁵

Mit:

d_ₚₖ = Trennkorndurchmesser (µm)
μ = Gasviskosität (lb/ft·s)
B_ₑ = Eintrittsbreite des Zyklons (ft)
n_ₑₓₚ = Anzahl der effektiven Windungen im Zyklon (–)
v_ₑ = Gaseintrittsgeschwindigkeit (ft/s)
ρ_ₚ = Partikeldichte (lb/ft^³)
ρ = Gasdichte (lb/ft^³)

2.3 SCHRITT 3: Berechnung des Verhältnisses von mittlerem Partikeldurchmesser zu Trennkorndurchmesser

Das Verhältnis berechnet sich wie folgt:

Partikelgrößenverhältnis = d_ₚ/d_ₚₖ

Mit:

d_p = mittlerer Partikeldurchmesser der Partikel im Zulaufstrom (Mikrometer)
d_pc = Trenndurchmesser (Mikrometer)

2.4 SCHRITT 4: Abschätzung des Zyklonwirkungsgrades

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

Zur Abschätzung des Zyklonwirkungsgrades muss das Partikelgrößenverhältnis verwendet werden.

Alternativ kann auch die 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 Zulaufstrom (Mikrometer)
d_pc = Trenndurchmesser (Mikrometer)

2.5 SCHRITT 5: Abschätzung der Partikelbeladung im Abluftstrom

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

ausgangsbeladung = eingangsbeladung*(1-E)

3. Beispiel zur Abschätzung des Zyklonwirkungsgrades

Ein Betrieb muss den Partikelemissionsgehalt aus einer bestimmten Werkhalle reduzieren. Ein gebrauchter Zyklon mit einem Durchmesser von 0,6 m, einer Einlassbreite von 0,15 m und einer Auslegung für 5 effektive Umläufe steht zur Verfügung. Der Betrieb möchte wissen, wie hoch der Wirkungsgrad des Zyklons sein wird bei einer Abluftströmung 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 der Luftströmung 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 können folgende Parameter identifiziert werden:

μ = Gasviskosität (Pa·s) = 1,8·10⁻⁵ Pa·s
B_c = Einlassbreite 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 Zulaufstrom (Mikrometer) = 10 Mikrometer

3.2 SCHRITT 2: Berechnung des Trenndurchmessers

Zur Berechnung des Trenndurchmessers kann folgende Formel verwendet werden:

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

Es ist jedoch zu beachten, 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 = Einlassbreite 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/m^³ = 156 lb/ft^³
ρ = Gasdichte (kg/m³) = 1,2 kg/m³ = 0,075 lb/ft³
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: Berechnung der 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 Luftstroms am Zyklonaustritt wie folgt berechnet werden:

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

Der Anlagenbetreiber kann diesen Wert dann mit den gesetzlichen Vorgaben vergleichen und feststellen, ob der Zyklon geeignet ist.

4. Kostenloses Excel-Berechnungstool zur Abschätzung des Zyklonabscheidegrads

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

Hinweis: Dieser Rechner dient zur Veranschaulichung der in dieser Webseite erwähnten Konzepte, er ist nicht für die Detailplanung vorgesehen.Bitte konsultieren Sie für alle Detailplanungen einen anerkannten Fachplaner.

Quelle

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