Deze pagina geeft een overzicht van de procestechnologieën beschikbaar voor het scheiden van stof en poeders uit een gasstroom, met name filters, cyclonen of wassers.

1. Inleiding - Belang van vaste-gas scheiders in de industrie

De scheiding van gas en de vaste stoffen die het transporteert, zijn van primair belang in procesindustrieën en worden uitgevoerd via verschillende methoden. Vaste stoffen kunnen opzettelijk in de gasstroom aanwezig zijn, zoals bij een pneumatische transportleiding, in gevallen waarbij 100% terugwinning van de vaste stof aan het einde van de transportfase vereist is voor een economisch proces. Maar vaste stoffen kunnen ook aanwezig zijn als verontreiniging, zoals stof, en groeiende milieuzorgen vereisen een stofafvangsysteem om het gas te zuiveren voordat het in de atmosfeer wordt uitgestoten.

Er bestaan verschillende scheidingstechnologieën die geschikt zijn voor verschillende doeleinden. Cyclonen, wassers en Filters worden op deze webpagina besproken.

2. De verschillende fysische verschijnselen betrokken bij vaste-gas scheiding

Wat zijn de manieren om een vaste stof van een gas te scheiden?

Traagheidscollectie

Dergelijke collectieverschijnselen worden goed weergegeven door het Stokesgetal, dat kan worden berekend voor een deeltje in een vloeistofstroom

Vergelijking 1: Stokesgetal

Sk = Traagheidskracht / viscositeitskracht
ρ_D= soortelijke massa van de gedispergeerde fase (vaste stoffen) (kg/m³)
u_CD= u_C- u_D= Snelheidsverschil tussen gedispergeerde fase en continue fase (m/s)
d = deeltjesdiameter (m) - indien niet allemaal dezelfde afmeting, neem d50
C_m= correctie van Cunningham-Millikan voor de sleepcoëfficiënt
μ_c= viscositeit van de continue fase (Pa·s)
D_c= karakteristieke afmeting van de scheidingsapparatuur

Als het Stokesgetal laag is, betekent dit dat het deeltje de neiging heeft om de vloeistof te volgen wanneer deze van richting verandert: het zal moeilijk zijn om ze te scheiden in een scheider die op inertieprincipe is gebouwd.

Wat er gebeurt, is het volgende: wanneer de stroom van deeltjes + vloeistof wordt blootgesteld aan een bepaald doelwit (bijvoorbeeld een plaat), zullen deeltjes met een te grote diameter (= een hoog Stokesgetal) de vloeistoflijnen niet kunnen volgen rond het obstakel en zullen door traagheidsimpact door het obstakel worden verzameld. De eerste diameter waarbij deeltjes niet meer worden verzameld, is de "snijdiameter" van de scheider.

Diffusiecollectie - Brownse beweging

Voor zeer kleine deeltjes (diameter < 1 micron) is het dominante fysische verschijnsel de Brownse beweging. Diffusieoverdracht, die kan leiden tot interceptie van kleine deeltjes, zal concurreren met convectieve overdracht.

Als het convectieve transport hoog is (hoge vloeistofsnelheid), zal interceptie niet mogelijk zijn. Als gevolg hiervan vereist het afvangen van zeer kleine deeltjes een lage vloeistofsnelheid om deeltjes de kans te geven via Brownse beweging naar een doelwit te reizen dat ze zal verzamelen.

Zwaartekrachtcollectie

Dit is een speciale collectiemodus die typisch wordt gebruikt in scheiders met een ontkoppelingsvolume, vooral voor grote deeltjes. De deeltjes zullen sedimenteren door een hogere eindsnelheid vergeleken met de gassnelheid.

3. De verschillende soorten apparatuur beschikbaar om vaste stoffen van gas te scheiden

Wat zijn de gebruikelijke vaste-gas scheidingstechnieken?

De onderstaande tabel geeft een overzicht van de belangrijkste vaste-gas scheidingsapparatuur die in procesindustrieën wordt aangetroffen

Tabel 1 : Industriële vaste-gas scheiders

Apparatuur	Gedetailleerd op deze pagina
Zwaartekrachtscheiders	nee
Cyclonen	Ja
Wassers	Ja
Elektrostatische scheiders	Nee
Filters	Ja

Al deze apparatuur kan worden gebruikt als industriële stofafscheiders. Sommige, met name cyclonen gekoppeld aan Filters kunnen aan het einde van pneumatische transportlijnen worden geplaatst voor het terugwinnen van het getransporteerde product. Wassers of elektrostatische precipitators worden vaker gebruikt in zeer verdunde stromen, zoals stofverwijderingssystemen om stofbeheersing te garanderen voor lucht die het proces verlaat door vaste deeltjes in afvalgassen te scheiden.

4. Cyclonen

Cyclonen zijn zeer eenvoudige apparaten gebaseerd op het traagheidscheidingsprincipe. Gas en deeltjes treden tangenteel de cycloon binnen (meestal bestaande uit een cilindrisch lichaam, een conische uitlaat voor vaste stoffen en een axiale bovenleiding voor gas).

Een werveling ontstaat door de middelpuntvliedende kracht die wordt uitgeoefend, waarbij het gas naar beneden spiraalt richting de conische bodem. Deeltjes met een te grote diameter worden tegen de wand gedrukt en van het gas gescheiden. In het conische gedeelte keert de gasstroom zijn richting om en stijgt via het centrale deel van de cycloon omhoog, om vervolgens bovenaan via de gasafvoerbuis te ontsnappen. De vaste stoffen bewegen langs de wand naar beneden en worden verzameld aan de onderkant van het conische deel.

Het moet worden opgemerkt dat het gas, bij het omkeren van richting, opnieuw vaste stoffen kan meenemen (herinsleep), wat de scheidingsefficiëntie kan verminderen. Om dergelijke verschijnselen te voorkomen, zijn het ontwerp van de cycloon en de bedrijfsvoering (ervoor zorgen dat er nooit vaste stoffen in de kegel ophopen) van primair belang.

Figuur 1 : Cycloonontwerp en scheidingsprincipe

5. Natte afscheiders (scrubbers)

Scrubbers zijn zeer efficiënte vast-gas scheiders die werken volgens het principe van contact tussen deeltjes en een vloeistof (meestal water). Waar cycloons vaak beperkt zijn tot deeltjesgroottes > 1 micron, kunnen scrubbers deeltjes goed onder de 1 micron afscheiden. Hun efficiëntie is voornamelijk te danken aan het feit dat ze verschillende interceptiemechanismen combineren

• Traagheid (deeltjes slaan neer op het natgemaakte interne oppervlak – soms de vulling – van de scrubber)
• Interceptie (deeltjes worden opgevangen door waterdruppels of natte oppervlakken als ze dicht genoeg langs komen)
• Diffusie (voor zeer kleine deeltjes < 0,3 micron)

In sommige gevallen worden deze mechanismen versterkt door andere, veroorzaakt door de aanwezigheid van vocht (bijvoorbeeld condensatie op een deeltje, of agglomeratie van deeltjes).

Figuur 1 : Scrubberontwerp en scheidingsprincipe

Scrubbers hebben echter een groot nadeel: ze genereren grote hoeveelheden slurries die vervolgens verder moeten worden behandeld. Tegenwoordig, rekening houdend met de milieueisen, moet het gebruik van scrubbers beperkt blijven tot toepassingen waar een eenvoudige verwerking van het afvalwater mogelijk is, of waar andere scheidingstechnieken absoluut niet kunnen worden toegepast.

6. Filters

Gas en vaste stof kunnen ook worden gescheiden met behulp van een vast medium, genaamd filter. Er zijn verschillende mechanismen die een rol spelen bij de scheiding van gas en vaste stoffen, en de fysica verandert eigenlijk wanneer het filter nieuw is of al enige tijd in gebruik is.

Bij een nieuw filter zullen deeltjes diep in de filterstructuur kunnen doordringen en (al dan niet) worden verzameld – filters, zoals andere scheidingstechnieken, hebben immers een bepaalde efficiëntie – door traagheid en diffusie.

Tijdens gebruik zullen deeltjes zich ophopen in en op het oppervlak van het filter, en zullen uiteindelijk een filterkoek vormen. Verdere filtratie is dus het gevolg van filtratie binnenin het filter, maar ook door de gevormde koek. Hoe meer deeltjes, hoe hoger de drukval zal zijn. Het zal dan nodig zijn om het filterte vervangen of schoon te maken.

Reiniging gebeurt soms automatisch door een omgekeerde gasstroom toe te passen. Dit is met name nuttig bij zakkenfilters die zijn geplaatst aan de ontvangstzijde van pneumatische transportleidingen. Voor pneumatische transportleidingen maken de hoge belasting aan vaste stoffen en het procesdoel filtratie de enige keuze voor het verzamelen van het product; soms wordt dit gecombineerd met een cycloon om te voorkomen dat het filter te snel verzadigd raakt.

Een belangrijke ontwerpparameter voor filters is de filtratiesnelheid (ook wel gas-doek-verhouding genoemd). Deze is meestal vrij laag, rond 1 - 5 cm/s, afhankelijk van de technologie; met uitzonderingen zoals HVAC-voorfilters die tot 1,5 m/s kunnen gaan.

Bronnen

Grondslagen van Poedertechnologie
Mechanische Eenheidsbewerkingen: Ontstoffing en Ontgassing, N. Midoux, Cursus ENSIC