Druppelafscheiders

In veel bedrijven zijn vloeistoffen of gassen of beide nodig voor het verloop van bepaalde productieprocessen. In gevallen waarin vloeistof en gas tijdens het proces met elkaar in contact komen, is een scheiding van vloeistof en gas tenminste aan het einde van het proces of procesfase vereist. Als deze scheiding niet volledig wordt uitgevoerd, kan het hele proces onrendabel zijn, of als de gasstroom in de atmosfeer wordt geëmitteerd, kan het milieu onnodig worden beïnvloed door de vloeistof die wordt vervoerd. Afgezien van speciale gevallen, wordt de vloeistof uit de gasstroom meestal gescheiden door mechanisch werkende afscheiders welke op basis van massatraagheid functioneren.. Voor de meeste toepassingen worden radiaalafscheiders, cyclonen, lamelafscheiders en draadgeweven demisters toegepast. Belangrijke criteria voor het beoordelen van de prestaties van een druppelafscheider zijn scheidingsgraad, grensdruppelgrootte en drukverlies. De grensdruppelgrootte van een afscheider zijn die druppels die volledig kunnen worden afgescheiden; alle druppels kleiner dan de grensdruppelgrootte van een afscheider worden slechts voor een bepaald percentage afgescheiden. We noemen dit de fractie-afscheidingsgraad.

Radiaal-afscheiders

De radiaal-afscheiders zijn, als een variant op axiale cyclonen zonder stroomomkering, een wervelafscheider een speciaal ontwerp van de cyclonen. Ze worden vaak onder zware bedrijfsomstandigheden toegepast waarbij grote hoeveelheden vloeistof in de vorm van grove druppels moeten worden gescheiden waarbij de gasstroom daarnaast ook nog vaste stoffen kan bevatten. De afscheidingsgraad van een wervelingseparator is meestal 98 tot 99 %, voor een grensdruppelgrootte van gemiddeld ongeveer 50 tot 100 micron. De drukverliezen van radiaalafscheiders zijn gewoonlijk 6 tot 15 mbar. In de radiaalafscheider wordt het binnenkomende uitlaatgas gereinigd door afzetting van druppels. Voor deze fasescheiding wordt de gasstroom in eerste instantie versneld door een vaste wervelgenerator in de omtrekrichting. Gebogen bladen voorkomen inlaatverliezen en stromingsafwijkingen. Er wordt een stabiele en probleemloze rotatiestroom gevormd in de achterliggende spiraalbuis. Door de centrifugale kracht worden de druppels naar buiten naar de wand geslingerd en daar verzameld.

De druppels worden niet beïnvloed door het meesleuren van het gas. De vloeistof loopt niet omhoog in de richting van het gas, maar naar beneden. Dit effect wordt bereikt door de speciale profilering en de opstelling van de "spiraal", die naar beneden in de richting van het gas gevormd is. Ter hoogte van het wervellichaam wordt de vloeistof verzameld en afgevoerd. Het ontwerp bevordert tegelijkertijd ook een reiniging van de binnenzijde van de spiraalpijp.

Bij kritische toepassingen kunnen afzettingen in de separator en op de bladen van het wervellichaam worden vermeden met extra spoelsystemen. Het gebruik van spoelsystemen is mogelijk tijdens het gebruik zonder nieuwe druppels in het gezuiverde gas te creëren. De radiaal-afscheiders worden specifiek gedimensioneerd voor grotere vloeistofbeladingen.

Cyclonen

Door optredende middelpuntvliedende kracht worden de druppels naar de buitenwand geslingerd alwaar ze een vloeistoffilm vormen welke vervolgens langs de wand naar beneden afloopt en kan opgevangen worden. Normale cyclonen worden gebruikt in vergelijkbare gevallen als radiaalafscheiders toegepast maar in tegenstelling tot deze kunnen ze kleinere grensdruppelgroottes bereiken met daarentegen hogere drukverliezen. De mate van afscheiding van een cycloon is ongeveer 98 tot 99% voor een grensdruppelgrootte van gemiddeld ongeveer 30 tot 50 micron bij drukverliezen van ca. 10 tot 20 mbar. De grensdruppelgrootte wordt kleiner naarmate het drukverlies over de cycloon oploopt. Daarnaast zal voor het afscheiden van druppeltjes een grote cycloon een lagere efficiëntie hebben tegenover een kleine cycloon.

Lamelafscheiders

Lamelafscheiders bestaan normaliter uit parallelle, evenwijdige profielen. De vorm en de lengte (in stromingsrichting) bepalen de efficiëntie van de lamelafscheider. Bij een grotere kromming en complexere vorm van het profiel zullen in het bijzonder de kleinere druppels, door hun massatraagheid, kunnen worden afgescheiden ten opzichte van een rechter, eenvoudiger profiel. Als een fijner druppelspectrum vereist is voor de scheiding van vloeibare druppels van gasstromen, worden lamelafscheiders meestal gebruikt voor zowel verticale als horizontale gasstromen. Het grotere risico op vuilafzetting in vergelijking met radiaalafscheiders en cyclonen is beheersbaar bij door de lamelafscheiders discontinu of continu te spoelen. In extreem geval is het gebruik van een meertrapssysteem vereist, waarbij de eerste scheidingsfase bijzonder intensief wordt gespoeld. Lamelafscheiders bereiken een hoge afscheidingsgraad van 99,9%. Verticaal en horizontaal aangestroomde lamelafscheiders verschillen voornamelijk van elkaar door drukverlies, grensdruppelgrootte en toelaatbare gassnelheid. Terwijl de grensdruppels van een verticaal aangestroomde afscheider neerkomen op ongeveer 40 micron, kan een horizontaal vloeiende lamelafscheider een grensdruppelgrootte bereiken van 10 tot 20 micron. Het drukverlies van een verticaal aangestroomde lamelafscheider ligt meestal lager dan 1 mbar; drukverliezen van ongeveer 2 tot 10 mbar kunnen worden verwacht voor horizontaal aangestroomde lamelafscheiders. In de verticaal aangestroomde lamelafscheider zijn de lamellen horizontaal of in een kleine hoek naar het horizontale vlak gekanteld. De vloeistof moet in de tegenovergestelde richting van het gas naar beneden lopen. Een verticaal aangestroomd afscheiderprofielprofiel moet zodanig zijn ontworpen dat er op de lamellen stromingsarme (lage snelheid) zones te vinden zijn, waarin zich voornamelijk afgezette vloeistofdruppels kunnen ophopen (agglomeratie) zonder interactie met de gasstroom erboven. Deze zones worden ook gebruikt voor de goede afvoer van de vloeistofdruppels uit de lamelafscheider.

Afhankelijk van de profilering en vormgeving van de lamellen worden deze taken op verschillende manieren opgelost. Aangezien de vloeistof tegen de gasstroom in wordt afgevoerd, moet de te drainen vloeistofdruppels in een neergaande beweging worden gedwongen, waarbij deze beduidend groter moeten zijn dan de opwaarts gevoerde druppels van het gas. Druppels kleiner dan de zwevende druppel worden opnieuw meegedragen en belasten het systeem onnodig. Om deze reden zijn er druppelafscheiders voor verticale stroom met verschillende vloeistofverspreidingen. Horizontaal aangestroomde lamelafscheiders hebben andere ontwerpkenmerken dan verticale systemen voor secundaire scheiding. In de horizontaal aangestroomde lamelafscheiders staan de lamellen loodrecht naar de gasrichting, zodat de vloeistof naar beneden loopt als gevolg van de zwaartekracht. Door stromingsarme (lage snelheid) zones voor, in en achter de fasescheidingskamers te creëren, wordt er voor gezorgd dat de vloeistofdruppels weg kunnen vloeien zonder opnieuw in contact te komen met de gasstroom. Het feit dat de zwaartekracht voor het drainen van de vloeistof wordt gebruikt leidt tot afscheiders met hoge prestaties. Afhankelijk van het ontwerp zijn stromingssnelheden tot 10 m/s toegestaan. De gunstigste vormgeving van de lamellen veroorzaken lage drukverliezen. Afgestemd op de procesvereisten kunnen lamellenprofielen met enkele of meerdere afbuigingen worden toegepast. De functie van de lamelafscheiders is gebaseerd op de fundamentele fysische wet van massatraagheid. De mate van scheiding wordt voornamelijk bepaald door twee processen: primaire- en secundaire afscheiding.

Primaire afscheiding

Een gasstroom geladen met druppels wordt door een raamwerk bestaande uit gebogen en geprofileerde lamellen gevoerd. In de afbuiging tussen de lamellen worden de vloeistofdruppels die in de gasstroom worden meegevoerd op basis van massatraagheid verwijderd. Deze krachten zorgen ervoor dat de baan van de druppels afwijkt van de oorspronkelijke gasstroom. De geometrie van de afbuiging, de gas- en vloeistofparameters, grootte van de druppels en belading van de druppels bepalen nu of een vloeistofdruppel de afbuiging passeert of in contact komt met de profielwand van de lamellen. Die druppels die onder de bepaalde voorwaarden voor 100% met het afscheiderprofiel in aanraking komen en daar een vloeistoffilm vormen, worden als grensdruppels beschouwd. Druppels met een diameter groter dan of gelijk aan de grensdruppel worden voor 100% afgescheiden. De druppels met een diameter kleiner dan de grensdruppels worden voor een deel afgescheiden. Dit deel kan worden beschouwd als een fractionele afscheidingsgraad. Het kan worden gebruikt om de scheidingsprestaties van een systeem te beoordelen.

Secundaire afscheiding

De lamelvorm en het ontwerp van de lamellen zorgen ervoor dat de vloeistoffilm die zich op de lamel vormt als gevolg van de primaire afscheiding volledig uit de gasstroom wordt gedraind. Hiervoor zijn speciaal gevormde afvoerprofielen op de druppelvangerlamellen voorzien. Afscheidingssystemen, die speciaal zijn ontwikkeld voor lage drukverliezen, werken met geleidegroeven in plaats van met toegepaste afvoerprofielen. Afhankelijk van de toepassing zijn de afvoerprofielen verschillend in vorm en grootte. Naast het aantal afbuigingen heeft de vorm van de afvoerprofielen een grote invloed op het drukverlies van het scheidingssysteem.

Draadgeweven demisters

De werking van een draadgeweven demister berust net als bij een lamelafscheider op basis van massatraagheid. Als de diameter van de te scheiden vloeistofdruppels aanzienlijk kleiner dan 10 micron dient te zijn kan een draadgeweven demister worden gebruikt. Een draadgeweven demister is opgebouwd uit dunne draad welke “rondgebreid” is in een driedimensionaal model tot een mat. Deze mat kan in vrijwel iedere gewenste vorm gemaakt worden zodat de demister in vrijwel iedere verticaal aangestroomde toepassing kan worden gebruikt. Voor kleine(re) diameters bestaat de afscheider vaak uit een deel; voor grotere oppervlakten wordt de afscheider uit meerdere delen samengesteld vaak omwille van het feit dat de demister via een mangat verwijderd moet kunnen worden. De samenstelling van de mat bepaalt de efficiëntie van de demister waarbij een dunne draad met een zo gering mogelijke afstand van elkaar geschikt is voor het afscheiden van de kleinste druppeltjes. Het spoelen van een draadgeweven demister is zeer moeilijk, dus het gebruik ervan is beperkt tot vloeistoffen die geen vuilafzetting veroorzaken. Om deze reden is het in veel gevallen niet mogelijk om een draadgeweven demister te gebruiken. Met een draadgeweven demister, scheidingsgraden van 99,9% voor grensdruppelgroottes van 5 tot 20 micron zijn zeer goed mogelijk. Tegenover lamelafscheiders voor verticale aanstroming dient er echter wel rekening gehouden te worden met aanzienlijke drukverliezen die liggen tussen 1,5 en 4 mbar waarbij dit ook nog eens sterk afhankelijk is van de vloeistofbelading van het gas. Vanwege het risico van vuilafzetting en daardoor verstoppen van het pakket ligt het voor de hand dat deze afscheiders alleen toepasbaar zijn als fijnafscheider. Tijdens het scheidingsproces gaan de druppels door de filtermat, botsen op het draadoppervlak vanwege hun traagheidsmoment, agglomereren ze bij de knooppunten van de draden en vallen terug als grotere druppels. De scheidingsprestaties, die worden beïnvloed door het vrij volume en het specifieke draadoppervlak van de mat, nemen toe met een toenemende gassnelheid. De maximale snelheid mag echter niet worden overschreden vanwege de flooding die dan optreed, dat wil zeggen het meesleuren van druppels. De grensdruppelgrootte voor een 99,9% fractionele afscheidingsgraad ligt in het bereik van 5 - 10 micron voor de verschillende standaard uitvoeringen. Door speciale constructies is een dergelijke afzetting mogelijk met een passend ontwerp tot een grootte van 3 micron. De draadgeweven demisters zijn gebreid van dunne draden in verschillende maaswijdten, waarbij de draaddiameters meestal variëren tussen 0,1 mm en 0,5 mm. Afhankelijk van het type variëren de specifieke oppervlakken van ongeveer 100 m²/m³ tot ongeveer 1.100 m²/m³. Ter ondersteuning van de demistermatten worden meestal speciaal ontworpen steun- en/of afdekroosters geleverd, die zo zijn ontworpen dat het vrije stroomoppervlak ongeveer 90% bedraagt. Bij het installeren van de draadgeweven demister moet ervoor worden gezorgd dat de demistermat goed aansluit op de kolomwand, zodat er geen valse lucht kan ontsnappen. De mathoogte van de draadgeweven demister is 100 tot 150 mm voor de meeste toepassingen. Als de gasstroom zeer fijne druppeltjes bevat, zoals bijvoorbeeld die ontstaan door condensatie, kan een aanzienlijk grotere mathoogte of een meerlaagse structuur nodig zijn.

De fundamentele overwegingen leiden rechtstreeks tot procedures voor het dimensioneren van een draadgeweven demister of lamelafscheider in termen van aanstroomoppervlak, om de doorvoer voor een bepaalde toepassing te verwerken. De belangrijkste variabele is de gassnelheid. In een bepaalde toepassing heeft een druppelafscheider een optimaal werkingsbereik. Bij snelheden boven dit bereik worden de prestaties belemmerd door entrainment, vergezeld van flooding voor alle druppels, behalve voor de lichtste belastingen met nevel. Naarmate de snelheid tot het optimale bereik afneemt, daalt de druppelafscheiding efficiëntie voor kleinere druppels sterker dan voor grotere. Op een gegeven moment is de efficiëntie voor druppels aan de onderkant van het spectrum tot een onaanvaardbaar niveau gedaald. Dit is dan de ondergrens van het snelheidsbereik.

Een bepaalde formule wordt veel gebruikt bij het dimensioneren van een draadgeweven demister of lamelafscheider voor een bepaald debiet.. Het generaliseert de kenmerken die normaliter tot uiting komen (voornamelijk met uitzondering van de lage kant van het werkingsbereik) van de essentie van lucht en water tot andere gassen en vloeistoffen. De Souders-Brown vergelijking, is lang het gebruikelijke hulpmiddel geweest voor het bepalen van de maximum toelaatbare dampsnelheid in een gepakte damp-vloeistof kolom.

(M. Souders and G. G. Brown, "Design of fractionating Columns. I. Entrainment and Capacity," Industrial & Engineering Chemistry, Volume 26 [1934], Pages 98-103.}

De vergelijking is overeenkomstig de wet van Newton voor de eindsnelheid van vallende bollen. De versie van de Souders-Brown vergelijking wordt vaak gebruikt voor druppelafscheiders en stelt een variabele K genaamd de dampspanningsfactor; ook bekend als het systeem beladingsfactor, Souders-Brown snelheid, of K factor als volgt:

K=VG√((ρL- ρG)/ρG)

K = damp beladingsfactor (Souders-Brown snelheid)

VG = gassnelheid

ρL = vloeistofdichtheid in dezelfde grootheid als ρG

ρG = gasdichtheid in dezelfde grootheid als ρL

De K-factor kan worden beschouwd als een effectieve gassnelheid met het oog op het uitdrukken van de doorvoercapaciteitslimiet, aangepast voor de invloeden van vloeistof- en gasdichtheid. Deze parameter maakt het mogelijk om op basis van verzamelde gegevens de grootte voor druppelafscheiders in gas-vloeistof systemen welke meestal voor lucht en water worden gebruikt te kunnen bepalen.

Ten slotte zijn de ontwerp K-factoren voor zowel horizontale als verticale afscheiders alleen van toepassing bij lage tot matige vloeistoflbeladingen tot ongeveer 0,1% vloeistof in volume. Voor een snelheid van 3 meter per seconde komt dit overeen met ongeveer 0,5 liter vloeistof die per minuut per vierkante meter wordt opgevangen. Voor hogere vloeistoflbeladingen moet K-factor worden bijgesteld. Lamelafscheiders zijn minder gevoelig voor de effecten van de vloeistofbelasting op de capaciteit.

Lamelafscheiders versus Draadgeweven demisters

1. Hoge snelheid
   

   Omdat ze minder gevoelig zijn voor entrainment en flooding dan draadgeweven demisters, kunnen beladingen verwerken met snelheden die 30 tot 40 procent hoger liggen Een hogere snelheid helpt de efficiëntiekloof met draadgeweven demisters te dichten.

2. Hoge vloeistofbelasting
   

   Lamelafscheiders verwerken doorgaans beladingen die ongeveer 5 tot 10 keer groter kunnen zijn dan draadgeweven demisters (tot 500 l/m².min versus 50 l/m² voor draadgeweven demisters);

3. Vervuiling en verstopping
   

   Vaste deeltjes en puin dat zou vastlopen in een draadgeweven demister, wat uiteindelijk zal leiden tot vroegtijdige vervanging of reiniging, passeren de veel grotere openingen van een lamelafscheider. In toepassingen die onderhevig zijn aan ophoping van afzettingen, zijn veel langere intervallen mogelijk zonder reiniging en kunnen ze veel gemakkelijker worden gereinigd dan draadgeweven demisters;

4. Langere standtijd
   

   De dikte van de lamellen geeft hen een aanzienlijk langere levensduur dan draadgeweven demisters met dezelfde corrosiesnelheid. In een bepaalde agressieve omstandigheden, zal een lamel gemaakt van plaatwerk zal veel langer standhouden dan een draadgeweven demister gemaakt van dezelfde legering;

5. Laag drukverlies
   

   De relatieve open constructie van een lamelafscheider geeft hen een voorsprong op een draadgeweven demister in toepassingen waar een paar centimeter water kolom van cruciaal belang kan zijn;

6. Hoge viscositeit
   

   Er is een paar toepassingen waarbij een hoge viscositeit de vloeistof drainage zo ernstig belemmert dat een draadgeweven demister al bij zeer lage snelheden en vloeistofbelastingen zou flooden. Lamelafscheiders kunnen veel hogere viscositeiten aan.

7. Robuuste constructie
   

   Wanneer goed gezekerd in een frame of een opsluitconstructie, een lamelafscheider is goed bestand tegen heftige gaspieken en slurry-achtige vloeistoffen die zelfs de meest sterk geconstrueerde draadgeweven demister zou vervormen of onherstelbaar beschadigen;

8. Schuimaccommodatie
   

   Vanwege vloeibare agitatie in draadgeweven demisters worden deze over het algemeen niet aanbevolen in toepassingen die onderhevig zijn aan schuimvorming. Lamelafscheiders, daarentegen, drainen niet alleen zonder schuimvorming, maar kunnen eigenlijk schuimvorming tegengaan. Met het oog op de punten 3,4 en 7 hierboven, zijn de lamelafscheiders bijzonder goed toepasbaar in applicaties die hoge betrouwbaarheid over langere periodes zonder onderhoud of vervanging vereisen.

9. Afscheidingsrendement

   Een draadgeweven demister is in staat om veel kleinere fractie s af te scheiden ten opzichte van een lamelafscheider.