DE2111173C3 - Gaswäscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaswäscher zum intensiven Inkontaktbringen eines Gases, insbesondere von staubiger Abluft, mit einer in einem Sammelraum mit einem spiralartigen tangentialen Eintritt und einem zum Sammelraum koaxialen zentralen, sich in Strömungsrichtung erweiternden Diffusor einzusprühenden Waschflüssigkeit, wobei die Abmessungen des Gaswäschers zwecks Erzielung bestimmter Durchsatze oder Druckverluste bei Wahrung geometrischer Ähnlichkeit nach den Regeln der Strömungslehre vergrößer- oder verkleinerbar sind und der Durchsatz Dronortional dem Quadrat der Abmessungen und der Druckverlust proportional dem spezifischen Gewicht und dem Quadrat des Durchsatzes ist.

Gaswäscher im Sinne der Erfindung sind Apparate, in denen eine unerwünschte Komponente aus einer Gasströmung durch Einsprühen einer Flüssigkeit entfernt werden soll. Die unerwünschte!i Komponenten können Staub, nebelartige Tropfen oder unerwünschte Gase sein.

Für Gaswäscher sind heute verschiedene Bauarten bekannt. Diese Wäscher bestehen in der Regel aus zwei meistens organisch miteinander verbundenen Baueinheiten, nämlich der Mischvorrichtung für die Waschflüssigkeit und das verunreinigte Gas sowie einer anschließenden Abscheidevorrichtung für mitgerissene Tropfen der Waschflüssigkeit aus dem gereinigten Gas.

Die bekanntesten Geräte dieser Art sind die sogenannten Strahl- oder Venturiwäscher, bei denen das zu reinigende Gas von oben in einen senkrecht stehenden Apparat eingeführt wird, der zunächst aus einem Sanunelraum besteht, in dem sich die Strömung vergleichmäßigt und an den sich eine düsenartige Verengung anschließt, welche den Gasstrom beschleunigt. Diese Düse kann sehr kurz sein und besteht häufig nur in einer quer zur Strömungsachse angeordneten Platte mit einer zentralen Durchtrittsöffnung für das zu reinigende Gas, wobei die Durchtrittsöffnung in der Regel kragenartig nach unten ausgebördelt ist: und anschließend in einen sich erweiternden kegelartigen Diffusor übergeht, in dem die hohen Geschwindigkeiten der engen Durchtrittsöffnung wieder verzögert werden, um statischen Druck zurückzugewinnen.

In diesen Geräten sollen das verunreinigte Gas und die Waschflüssigkeit möglichst intensiv miteinander vermischt und die Waschflüssigkeitstropfen mit den verunreinigten Gasen in Kontakt gebracht werden. Die dabei erzielten Mischleistungen konnten jedoch bisher nicht befriedigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaswäscher der eingangs genannten Art so aus20igestalten, daß dessen Mischleistung gegenüber den bekannten Gaswäschern wesentlich gesteigert ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß der Einfluß der verschiedenen konstruktiven Parameter eines Gaswäschers auf die erreichte Mischleistung von ausschlaggebender Bedeutung ist. Diese neue Erkenntnis war überraschend, da zunächst erwartet worden war, daß es üblicherweise eine günstigste Kombination der Konstruktionsparameter des Venturiwäschers geben würde, bei der der Auswaschgrad mehr oder weniger geringfügig besser ausfällt, als bei etwas veränderten Abmessungen, so daß die Auftragung der Kurve des Auswaschgrades über verschiedenen Abmessungsparametern bei bestimmten Abmessungen ein Optimum erreichen und davor und danach wieder stetig abfallen würde.

Bei im Zusammenhang mit der Erfindung durchgeführten Untersuchungen zeigte es sich jedoch überraschenderweise, daß erst bei der Auswahl einer be-, stimmten Kombination gewisser kennzeichnender Abmessungen des Gaswäschers der Restgehalt an unausgewaschenen Verunreinigungen sich sprungartig auf etwa den vierten bis fünften Teil verringern läßt.

wobei diese günstigen Abmessungen innerhalb bestimmter Grenzen geringfügig über- oder unterschritten werden können. Bei weiterer Über- oder Unterschreitung dieser Grenzen verschwand jedoch dieser günstige Effekt nach Durchschreiten einer sehr engen Übergangszone wieder vollständig und der Auswaschgrad lag dann wieder in der üblichen Größenordnung.

Beim Überschreiten des kritischen Schwellwertes der genannten Abmessungen war auch ein deutlicher ι ο Umschlag des ganzen Strömungsverhaltens und des Strömungswiderstandes zu erkennen. Das Laufgeräusch schlug bei Erreichen des Bereiches des günstigen Auswaschgrades von Jem dumpfen, unregelmäßigen und niederfrequenten Brummen der üblichen turbulenten Strömung in ein hochfrequentes, hartes Rauschen um, und der Druckverlust stieg bei gleichem Durchsatz auf das Drei- bis Vierfache. Bei Über- oder Unterschreiten der kritischen Abmessungen verschwanden mit dem günstigen Wascheffekt auch der hohe Strömungswiderstand und das harte, hochfrequente Rauschen der Strömung. Offensichtlich stehui also der verbesserte Stoffaustausch und der erhöhte Druckverlust in enger Wechselbeziehung.

Die zu der Erfindung führenden Entwicklungsarbeiten wurden in einem senkrecht stehenden Venturiwäscher durchgeführt, der in den Zeichnungen schematisch wiedergegeben ist. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Venturiwäscher, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Eintrittsleitvorrichtung des Venturiwäschers nach Fig. 1.

Der Venturiwäscher mit oben liegendem Eintritt und unten liegendem Austritt wies zunächst einen radialen Gaseintritt 1 und einen Sammelraum 2 auf, der über eine düsenartige, zentrische Verengung in einen Diffusor 3 überging.

Um den Diffusor 3 herum war ein Abscheidegefäß 4 für mitgerissene Flüssigkeitstropfen angeordnet, aus dem die f ereinigten Gase über eine radiale Austrittsleitung 5 abgeführt wurden. Füllkörper 6 sorgten für die Abtrennung der mitgerissenen Tropfen.

Die Waschflüssigkeit wurde durch eine axial angeordnete Düse 7 eingedüst und durch eine unten liegende Austrittsöffnung 8 abgeführt. Die ersten Versuche wurden mit verschiedenen Diffusoren 3 ausgeführt, brachten jedoch erwartungsgemäß keinen merklichen Einfluß der Abmessungen auf den Auswaschgrad.. Versuchsweise wurde das zu reinigende Geis sodann nicht radial, sondern tangential dem Sammelraum 2 zugeführt. Die Eintrittswinkel α der Strömung, gemessen gegen die Umfangsrichtung, konnte durch schwenkbare Schaufeln verändert werden. Bei radialem Eintritt (α = 90°) war der Auswaschgrad zunächst unverändert. Bei Schwenkung der Schaufeln bis zu etwa α = 20° erhöhte sich der Druckverlust geringfügig, Laufgeräusch und Auswaschgrad blieben jedoch unverändert. Unterhalb von α = 20° begann ein gewisser Übergangsbereich, und bei α = 14 bis 15° schlug die Strömung überraschend schlagartig um. ι,ο Es entstand ein hartes, hochfrequentes Laufgeräusch und der Auswaschgrad erhöhte sich überraschend ebenfalls sprungartig. Die unausgewaschenen Reste sanken auf den dritten bis vierten Teil, je nach Vergleichsbasis. Nach Eintreten dieses Umschlages, also <,■-> bei α unterhalb 14 bis 15°, änderten sich die Verhältnisse nur wenig; es ergab sich ein schwaches Optimum im Bereich von α =6 bis 9°.

öffnete man die Leitschaufeln anschließend wieder, so trat der Strömungsumschlag in den Zustand des schlechteren Auswaschgrades und das niederfrequente, bullernde Laufgeräusch trat nicht bei 14 bis 15°, sondern erst bei 18 bis 20° Schaufelwinkel ein. Offensichtlich war hier eine gewisse Hysterese vorhanden, wie sie ähnlich beim Umschlag von iaminarer inturbulenter Strömung und zurück ebenfalls beohachtet werden kann.

Allerdings, trat der genannte Strömungsumschlag bei Unterschreiten des genannten kritischen Schaufelwinkels nicht bei allen Konfigurationen des Diffusors 3 ein. Vielmehr wurde der Effekt nur erreicht, wenn erfindungsgemäß sowohl der Sammelraum 2 und der Diffusor 3 bestimmte Abmessungen hatte.

Entsprechend den in Fig. 1 eingezeichneten Bezeichnungen betrug bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die axiale Höhe α des Sammelraumes etwa 150 mm, der Eintrittsdurchmesser c des sich in Strömungsrichtung erweiternden Diffusors 3 etwa 250 mm, die Länge d des Diffusors etwa 900 mm, der Austrittsdurchmesser e dej Diffusors 3 etwa 500 mm und der Eintrittswinkel α der an den Sammelraum 2 anschließenden spiralartigen tar>gentialen Eintrittsleitvorrichtung 1 etwa 7°.

Der fur die Testversuche benutzte Luftdurchsatz betrug dabei 1250 Nm²/h,bei einem Druckverlust des gesamten Gerätes von 95 mm WS, wovon 14 mm WS auf das Abscheidegefäß 4 entfielen und 81 mm WS auf den eigentlichen Mischapparat.

Erfindungsgemäß durchgeführte systematische Variationen der einzelnen Abmessungen ergaben folgende günstige Werte:

Schaufelwinkel a:

Günstige Werte lagen bei etwa 6 bis 9°, mit schwachem Optimum. Unterhalb 5° erfolgte ein starker Anstieg des Strömungswiderstandes, wobei keine nennenswerte Verbesserung des Wascheffektes erzielt wurde. Oberhalb 10° erfolgte eine langsame Abnahme des Wascheffektes, bei fast unverändertem Druckverlust. Oberhalb 14 bis 15 ° war ein schlagartiges Ansteigen des unausgewaschenen Restes auf etwa das Vierfache zu beobachten.

Für die nachfolgenden Variationen der Abmessungen des Diffusors 3 wurde ein Schaufelwinkel « = 7° festgehalten, wobei der Sammelraum 2 erfindungsgemäß als logarithmische Eintrittsspirale dieses Schaufelwinkels ausgeführt wurde.

Axiale Höhe α des Sammelraumes:

Ein günstiger Wert lag bei etwa a = 150 mm. Bei Verkleinerung von α bis herab auf 120 mm wurde eine geringfügige Verbesserung des Auswaschgrades, jedoch starker Anstieg des Druckverlustes auf 140 mm WS beobachtet. Noch weitere Verkleinerung yon a auf ca. 100 mm führte zu keiner wesentlichen Änderung des Auswaschgrades, jedoch wurde eiäi Ansteigen der Druckverluste auf ca. 180 mm WS beobachtet.

Eine Vergrößerung von β auf ca. 170 mm erbrachte eine Senkung der Druckverluste von 95 auf ca. 75 mm WS, bei geringfügiger Abnahme des Auswaschgrades. Oberhalb von a = 170 mm waren die Meßergcbnisse nicht reproduzierbar, offensichtlich traten dort die überraschend günstigen Strömungsverhältnisse nicht mehr auf.

Eintrittsdurchmesser c:

Günstiger Wert lag bei etwa c — 250 mm 0. Eine Verkleinerung auf ca. 200 mm 0 ergab einen Anstieg

des Druckverlustes (bei gleichem Luftdurchsatz) auf ca. 140 mm WS, bei nur unwesentlich verbessertem Auswaschgrad. Bei noch kleineren Düsendurchmessern c stieg der Druckverlust unverhältnismäßig stark an, ohne daß der Auswaschgrad sich noch wesentlich veränderte.

Eine Vergrößerung c auf ca. 275 mm WS brachte eine Senkung des Druckverlustes von 95 auf 80 mm WS, bei bereits meßbar verschlechtertem Auswaschgrad. Eine weitere Vergrößerung des Düsendurchmessers brachte zwar noch eine entsprechende Senkung des Druckverlustes, jedoch auch eine iibcrverhältnismäßige Verschlechterung des Auswaschgrades.

Diffusorlänge d:

Ein günstiger Wert lag erfindungsgemäß bei etwa (I = 900 mm. Eine geringfügige Verkürzung der Diffusorlänge hatte keinen wesentlichen Einfluß auf Druckverlust oder Auswaschgrad: bei etwa 750 mm Diffusorlänge wurden die Meßergebnisse jedoch schlecht reproduzierbar und streuten stark, und unterhalb von etwa 700 mm Diffusorlänge verschwand der gute Auswascheffekt vollständig. Zwar verringerte sich der Druckverlust hier merklich, die unausgewaschenen Reste waren jedoch rund dreimal höher als bei etwa 900 mm Diffusorlänge. Offensichtlich lag hier eine untere Grenze bei etwa 750 bis 800 mm vor, von der vorteilhafterweise noch ein gewisser Sicherheitsabstand eingehalten werden sollte. Eine Vergrößerung der Diffusorlänge über 900 mm brachte weder einen Einfluß auf den Druckverlust noch auf den Auswaschgrad. Eine solche Verlängerung ist offensichtlich nutzlos.

Austrittsdurchmesser e:

Ein günstiger Wert lag bei etwa 500 mm 0. Eine Verkleinerung auf etwa 400 mm ergab eine Verschlechterung des Auswaschgrades, ohne merkliche Veränderung des Druckverlustes. Eine Vergrößerung des Diffusordurchmessers über 500 mm hinaus hatte weder einen Einfluß auf den Auswaschgrad noch auf den Druckverlust. Um das Gesamtgerät nicht unnötig

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der unteren Grenze des Diffusordurchmessers. Ein erfindungsgemäß gewählter Durchmesser von etwa 500 mm ist einerseits baulich relativ klein, andererseits hält er einen hinreichenden Sicherheitsabstand zu einer kritischen Grenze, unterhalb welcher der Auswaschgrad sich zu verschlechtern beginnt.

Der Druckverlust der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung bei etwa 1250 NmVh Luftdurchsatz (spezifisches Gewicht 1,20 kg/m³) betrug insgesamt etwa 95 mm WS. Bei einer Senkung des Luftdurchsatzes auf etwa 750NmVh sank der Druckverlust näherungsweise quadratisch auf etwa 35 mm WS. Von hier ab begann der Auswaschgrad sich meßbar zu verschlechtem. Oberhalb eines Druckverlustes von etwa 40 mm WS war der Auswaschgrad vom Druckverlust nur noch so wenig abhängig, daß diese Abhängigkeit vernachlässigt werden kann. Bei extrem hohen Druckverlusten (über 2000 mm WS) können erfindungsgemäß weitere Verbesserungen des Auswaschgrades eintreten. Offensichtlich ist dabei die Verwirbelung in der Luftströmung so stark, daß hierdurch eine zusätzliche Zerstäubungswirkung des eingespritzten Waschwassers erfolgt.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Gaswäscher der Auswaschgrad oberhalb von etwa 40 mm WS Druckverhist praktisch nicht mehr vom Druckverlust abhing, galt dies auch für den Mischeffekt zwischen Luft und Waschflüssigkeit. Das bedeutet strömungstechnisch, daß die den Mischeffekt bewirkenden Strömungsbilder nach der Erfindung nicht von der Geschwindigkeit und damit auch nicht von der Reynolds-Zahl abhängen. Das heißt, die mit dem erfindungsgemäßen Gaswäscher gewonnenen Ergebnisse lassen sich auf geometrisch ähnliche vergrößerte oder verkleinerte Geräte anwenden. Die Betriebsdaten sind dann im wesentlichen die gleichen, lediglich die Durchsätze ändern sich im wesentlichen mit dem Quadrat der Abmessungen. Es ist daher ohne weiteres möglich, durch einfaches geometrisches Vergrößern oder Verkleinern einen geeigneten Gaswäscher nach der Erfindung für andere Durchsätze zu konstruieren. Dieser liefert dann im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie der im einzelnen angegebene Gaswäscher nach der Erfindung.

Dadurch, daß die Mischwirkung nicht von der Reynolds-Zahl abhängt, ist der erfindungsgemäße Gaswäscher mit Vorteil auch für die Durchmischung anderer Substanzen geeignet. Ihre Dichte, ihre Zähigkeit oder ihre sonstigen Stoffeigenschaften haben dann keinen wesentlichen Einfluß auf den Mischeffekt. Allerdings wird sich in jedem Fall eine untere Grenze des Durchsatzes ergeben, die von den Stoffeigenschaften des durchströmenden Mediums abhängt und die es imdungsgemäß überschritten werden muß, damit der günstige Mischeffekt eintritt.

Die Gestaltung des Abscheidegefäßes 4 oder der Füllkörperschüttung 6 hat auf den Mischeffekt keinen Einfluß. Das Abscheidegefäß kann daher eine beliebige Gestalt haben oder getrennt von dem Gaswäscher aufgestellt werden, wenn dies die Betriebsumstände erfordern. Die sich an den Diffusor anschließende Austrittsleitung ist dann nach den einschlägigen Regeln der Strömungslehre zu gestalten.

Eine Einspritzung der Waschflüssigkeit vom Zentrum des unten liegenden Diffusoraustrittsquerschnittes gegen die Durchsatzrichtung ergab, daß hier größere Einspritzwinkel verwendet werden müssen, als bsi dsr W. Fi". 1 dsrⁿ?S*?"*'?ⁿ Anordnung der F.inspritzdüse an der Stirnseite des Sammelraumes 2. In diesem Fall erwiesen sich Einspritzwinkel zwischen 5° und 20° als besonders günstig, abhängig von der Düsengröße, dem Druck der Waschflüssigkeit und dem Druckverlust des Waschers. Bei Einspritzung vom großen Diffusordurchmesser her gegen die Durchsatzrichtung waren Spritzwinkel zwischen 15° und 45 ° günstig, abhängig von den gleichen Parametern. In jedem Fall muß die Waschflüssigkeit symmetrisch zur Diffusorachse zugeführt werden. Der Auswaschgrad hing nicht meßbar davon ab_r ob die Eindüsung unten oder oben erfolgte. Dies gilt erfindungsgemäß auch für die Zufuhr zusätzlicher, mit der Hauptströmung zu vermischender Komponenten.

So läßt sich beispielsweise zur Auswaschung "von H₂S aus dem Abgas einer chemischen Produktion von unten her freies Chlor durch eine axiale Zufuhr gegen die Durchsatzrichtung einblasen, das mit dem H₂S zu Salzsäure und freiem Schwefel reagierte. Beides wurde erfindungsgemäß durch eine gemäß Fig. 1 angeordnete Einspritzdüse gewaschen.

Vorteilhafterweise steht die Düse mit dem Durchmesser c am Übergang von dem Sammelraum 2 zum Diffusor 3 nicht blendenartig in den Eintrittsquerschnitt des Diffusors 3 hinein. Eine geringfügige Ausrundung des Überganges von dem Sammelraum 2

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zum Diffusor 3 ist erfindungsgemäß günstig und ver- geeignet, aus einer Gasströmung durch Einsprühen meidet ein unter bestimmten Betriebsbedingungen einer Flüssigkeit unerwünschte Komponenten zu entmanchmal auttretendes pfeifendes Geräusch des Ge- fernen, sondern er kann darüber hinaus für die Verrates, besserung der Durchmischung beliebiger strömungs-Der erfindungsgemäße Gaswäscher ist nicht nur ■> fähiger Medien verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gaswäscher zum intensiven Inkontaktbringen eines Gases, insbesondere von staubiger Abluft, mit einer in einem Sammelraum mit einem spiralartigen tangentialen Eintritt und einem zum Sammelraum koaxialen zentralen, sich in Strömungsrichtung erweiternden Diffusor einzusprühenden Waschflüssigkeit, wobei die Abmessungen des Gaswäschers zwecks Erzielung bestimmter Durchsätze oder Druckverluste bei Wahrung geometrischer Ähnlichkeit nach den Regeln der Strömungslehre vergrößer- oder verkleinerbar sind und der Durchsatz proportional dem Quadrat der Abmessungen und der Druckverlust proportional dem spezifischen Gewicht und dem Quadrat des Durchsatzes ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Gasdurchsatz von 1250 NmVh und einem Druckv<rlust von 80 mm WS folgende Abmessungen bestehen:

der Eintrittswinkel (α) des als logarithmische Spirale ausgebildeten Eintritts (1) beträgt 5 bis 15°;

die axiale Höhe (α) des Sammelraumes (2) beträgt 100 bis 170 mm;

der Düsendurchmesser (c) am Übergang des Sammelraumes (2) zum Diffusor (3) beträgt 200 bis 275 mm;

die Diffusorlänge (d) beträgt 800 bis 900 mm, und

der Diffusordurchmesser (e) am Diffusoraustritt ist 500 mm und.

daß die Hauptströmuni; der Waschflüssigkeit symmetrisch zur Achse des Diffusors (3) an der Stirnwand des Sammelraumes (2) oder in der Nähe des Durchmessers (e) des Diffusors (3) zuführbar ist.

2. Gaswäscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abscheidegefäß (4) achssymmetrisch um den Diffusor (3) angeordnet ist, der bis in die Nähe des Bodens des Abscheidegefäßes (4) ragt.

3. Gaswäscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheidegefäß (4) mit bekannten Füllkörpern (6) wenigstens teilweise gefüllt ist.