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Zentrifugalabscheider Optimierte Durchsatzleistung, Strömung und Differenzdruck von Zentrifugalabscheider

Autor / Redakteur: Peter Krause* / M.A. 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.

Das Ziel eines zweiten Forschungsprojekts mit dem Institut für Materialfeuchte und dem MVM war ein Verfahren zum ressourcen- und energieeffizienten Recycling von Phosphor aus kommunalen und industriellen Abwässern. Zunächst wurde mit einer Hydrozyklon-Kaskade gearbeitet. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde ein neuartiger zweistufiger Multizyklon „Prototyp“ entwickelt, der einen Durchsatz von 25 m3/h ermöglicht. Der „Prototyp“ besteht im Inneren aus einem herkömmlichen WTZA-Zentrifugalabscheider und außen aus einem Multizyklon mit vier oder sechs kleinen Zyklonen und Verteilerplatte.

Aus den Testreihenergebnissen der Multizyklone resultierte zudem, dass der Trenngrad stark von dem des Einzelzyklons abhängig ist. In einem Kooperationsprojekt mit dem Fraunhofer Institut Stuttgart hat Wolftechnik deshalb die Standardgeräte der WTZA-Zentrifugalabscheider hin zu einer besseren Abscheidung optimiert. Das führte zu dem Modell „-XE“ (extra Efficiency) mit einem dünneren und schlankeren Design. Durch das schlankere Design erhöhen sich im Zentrifugalabscheider die Geschwindigkeiten und Kräfte, die für die Partikelabtrennung bestimmend sind. Die bessere Partikelabscheidung geht allerdings zulasten des Differenzdrucks und somit des Energieverbrauchs an der Pumpe.

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Ein Vergleich der Zyklon-Varianten in einer Testanlage für Durchsatzleistung zu Differenzdruck brachte ein interessantes Ergebnis: Die maximale Partikelgröße im Überlauf des „Prototyps“ war um 20 μm kleiner als die im optimierten Standardgerät WTZA-XE und deutlich kleiner als die im Überlauf des Standradgeräts WTZA und im Multizyklon WTMZA. Somit wird mit dem „Prototyp“ die beste Effizienz erreicht, er trennt am besten.

Allerdings ist das Gerät im Vergleich zu herkömmlichen Geräten und zum optimierten Standardgerät WTZA-XE deutlich teuer und arbeitet bei einem relativ hohen Differenzdruck, was auch den Betrieb in Bezug auf die Energiekosten und den Verschleiß der Pumpe teuer macht. Das optimierte Standardgerät WTZA-XE weist im Vergleich zum „Prototyp“ einen geringeren Druckverlust auf. Trotz der deutlich besseren Trennleistung liegt der gemessene Differenzdruck nur gering über dem des Standardgeräts. Unter den vier Varianten schnitt der WTZA-XE somit am besten ab – inklusive der Betrachtung von Anschaffungs- und Betriebskosten.

Zusatz: Das PDF „Vergleich Zyklone Partikelabscheideraten“ zeigt ergänzend zum Fachbericht die Messkurven der einzelnen Zyklone aus den Testreihen und einen direkten Vergleich zwischen optimiertem Standardgerät und zweistufigem Multizyklon-Prototyp. Klicken Sie hier zum Download.

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Ergebnisse auf einen Blick
  • Eine Steigerung der Rückhalterate (Qualität) bei Zyklonen lässt den Differenzdruck zwischen Zulauf und Ablauf ansteigen. Da sich dadurch die Pumpenleistung an der Anlage erhöht (Wirtschaftlichkeit), muss dieser Aspekt bei der Optimierung der Rückhalterate berücksichtigt werden.
  • Eine neu entwickelte Verteilerplatte am WTMZA Wolftechnik Multizyklon stellt eine definierte Strömungsverteilung zu den einzelnen Zyklonen sicher, wodurch die Rückhalterate verbessert wird.
  • Testreihen mit Multizyklonen zeigen, dass der Trenngrad stark von dem des Einzelzyklons abhängig ist. Wolftechnik hat deshalb die Standardgeräte der WTZA Wolftechnik-Zentrifugalabscheider hin zu einer besseren Abscheidung optimiert und das neue Modell WTZA-XE (eXtra Efficiency) mit einem dünneren und schlankeren Design entwickelt. Durch das schlankere Design erhöhen sich im Zentrifugalabscheider die Geschwindigkeiten und Kräfte, die für die Partikelabtrennung bestimmend sind.
  • Trotz einer deutlich besseren Trennleistung des WTZA-XE Wolftechnik Zentrifugalabscheider (Steigerung des Trennkorns/Rückhalterate) im Vergleich zum Standardgeräts WTZA, liegt der Differenzdruck nur gering über dem des Standardgeräts. Unter vier getesteten Varianten, darunter ein ebenfalls neu entwickelter zweistufigen Multizyklon, schnitt der WTZA-XE Wolftechnik Zentrifugalabscheider im Gesamtvergleich, inklusive der Anschaffungs- und Betriebskosten, am besten ab.

* Der Autor ist Geschäftsführer bei Wolftechnik Filtersysteme, Weil der Stadt.

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