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Zentrifugalabscheider

Optimierte Durchsatzleistung, Strömung und Differenzdruck von Zentrifugalabscheider

| Autor/ Redakteur: Peter Krause* / Manja Wühr

Sollen Partikel aus wässrigen Medien abgeschieden werden, sind Zentrifugalabscheider oft die Technik der Wahl. Die Forderung nach höheren Abscheideraten bezahlt man jedoch mit einem höheren Differenzdruck. Oder doch nicht?

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In der Praxis werden mehrere Hydrozyklone parallel angeordnet. Das Bild zeigt eine sogenannte Batterie, bestehend aus drei Zentrifugalabscheidern. Die Summe der Einzeldurchsatzleistung jedes Zyklons ergibt die Gesamtdurchsatzleistung der Batterie.
In der Praxis werden mehrere Hydrozyklone parallel angeordnet. Das Bild zeigt eine sogenannte Batterie, bestehend aus drei Zentrifugalabscheidern. Die Summe der Einzeldurchsatzleistung jedes Zyklons ergibt die Gesamtdurchsatzleistung der Batterie.
(Bild: Wolftechnik; ©macrovector - stock.adobe.com)

Messreihen mit unterschiedlichen Zyklonvarianten zeigen, dass eine Steigerung der Rückhalterate abzutrennender Partikel stets den Differenzdruck ansteigen lässt. Dies bedingt eine höhere Pumpenleistung, was den Betrieb der Anlage teurer macht. Ziel der Entwicklung bei Wolftechnik war es, einen Zyklon zu konzipieren, der Schmutzpartikel bei nur moderat höherem Differenzdruck dennoch deutlich besser abtrennt als das Standardgerät. Ein optimiertes Standardgerät mit höherer Effizienz brachte den gewünschten Erfolg und zeigte sich in den Testreihen in puncto Wirtschaftlichkeit einem innerhalb eines Forschungsprojekts entwickelten zweistufigen Multizyklon „Prototyp“ überlegen, der die beste Rückhalterate aufwies.

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Zyklonbatterien und Multizyklone

Die Zielsetzung unterschiedlicher Forschungs- und Entwicklungsprojekte des Unternehmens war es neben der Trennaufgabe, die Rückhalterate der Zyklone weiter zu verbessern. Gleichzeitig sollte die Durchsatzleistung erhöht werden. Klassisch werden dafür mehrere Hydrozyklone parallel angeordnet. Der Zulauf erfolgt über eine zentrale Hauptleitung. Jeder Hydrozyklon wird mit gleichem Druck und gleicher Geschwindigkeit angesteuert, was nötig ist, um die gleiche Abtrennleistung zu erzwingen.

Eine andere Variante ist, mehrere kleine Hydrozyklone in nur einem Behälter unterzubringen. Man spricht dann von einem Multizy­klon. Der Vorteil liegt in der leichten Parallelisierbarkeit großer Zahlen an Hydrozyklonen. Der Zulauf zu den einzelnen Zyklonen erfolgt direkt über die Zulaufkammer. Ein Nachteil: Grobgut sedimentiert in diesem Bereich.

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Forschungsprojekte und deren Ergebnisse

In einem von Wolftechnik initiierten ersten Forschungsprojekt mit dem Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wurde der Zulauf eines herkömmlichen Multizyklons mit dem Ziel untersucht, einen neuen Multizyklon zu entwerfen, der eine einfache Zulaufgeometrie aus einer Verteilerplatte aufweist und im Zulauf keine Probleme mehr durch die Sedimentation von Grobgut verursacht. Das Forschungsprojekt zeigte, dass ein solcher Multizyklon möglich ist.

Nach Abschluss des Forschungsprojekts wurde der Multizyklon mit Verteilerplatte (WTMZA) am eigenen Teststand an der Universität Karlsruhe weiter verbessert. Optimiert wurden Durchsatzleistung, Strömung und Differenzdruck. Dabei stellt die Verteilerplatte eine definierte Strömungsverteilung zu den einzelnen Zyklonen sicher, wodurch die Rückhalterate verbessert wird. Ein WTMZA-Multizyklon kann zwei, vier, sechs, acht oder mehr Einzelzyklone beinhalten. So erbringt ein WT4MZA mit vier Einzelzyklonen von je 4 m3/h Durchsatzleistung eine Durchsatzleistung von 16 m3/h, ein WT10MZA käme somit auf eine Durchsatzleistung von 40 m3/h.

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Wirkungsweise eines Hydrozyklons

Zentrifugalabscheider, kurz als Zyklone bezeichnet, werden zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus wässrigen Medien eingesetzt. Durch die spezielle Strömungsführung im Innern dieser Feststoffabscheider wird das Medium in eine rotierende Bewegung versetzt. Es bildet sich ein Wirbel aus, daher auch der Name Hydrozyklon. Die dabei auftretenden Zentrifugalkräfte wirken auf die abzutrennenden Partikel ein und ermöglichen effiziente Abtrennleistungen. Hierzu ist der untere Teil des Zyklons konisch ausgeführt. In diesem Teil wird die leichtere Fraktion nach innen verdrängt, schwere Partikel werden durch die Zentrifugalkraft außen gehalten und im Unterlauf ausgetragen. Die leichtere Fraktion, die nach innen verdrängt wird, wird im Oberlauf ausgetragen.

Bei Zentrifugalabscheidern wird der Dichteunterschied zwischen den abzutrennenden Stoffen und dem zu reinigenden Medium genutzt. Anders als bei Beutel- und Kerzenfiltern wird hier die Rückhalterate oder der Wirkungsgrad in Bezug auf 50 % der abtrennbaren Stoffe mit einer bestimmten Partikelgröße und einem bestimmten spezifischen Gewicht (Dichte) als Trennkorn angegeben. So bedeutet beispielsweise ein Trennkorn von 40 µm bei Sandpartikeln (spezifisches Gewicht: 3 g/cm3, dass 50 % der Sandpartikel mit der entsprechenden Partikelgröße zurückgehalten werden. Das Trennkorn des gleichen Gerätes für schwerere Eisenpartikel (spezifisches Gewicht: 7 g/cm3) wird bei gleicher Durchsatzleistung bereits bei 25 µm liegen.

Bei der Angabe des Trennkorns sollten neben dem spezifischen Gewicht auch die Durchsatzleistung und der Differenzdruck verglichen werden. Nur das Zusammenspiel dieser vier Größen macht die Beurteilung eines Zyklons möglich.

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