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Verfahren zur Abscheidung von feinen Schwefelsäurenebeln Bei vielen
chemischen und sonstigen Verfahren entstehen feine Nebel, die feinste Flüssigkeitströpfchen
enthalten. Die Beseitigung dieser Nebel ist aus vielen Gründen notwendig, insbesondere
weil sie nachgeschaltete Prozesse stören, Korrosionen verursachen und bei Endgasen
eine Belästigung der Umgebung herbeiführen können. Die Entfernung dieser feinen
Nebel machte bisher große Schwierigkeiten und verursachte hohe Kosten.
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In der Schwefelsäureindustrie hat man schon versucht, diese feinen
Nebel in sogenannten Kokskisten auszuscheiden. Man leitete die vorher gekühlten
und gewaschenen Gase, die immer noch schwefelsäurehaltige Nebel enthielten, in einer
Menge von 6500 m3/h durch ein Filter mit ein%r Durchgangsoberfläche im ungefüllten
Raum von 100 m2. Dabei betrug die Gasgeschwindigkeit in dem ungefüllten Filterraum
nur 0,018 m/s. Die Beseitigung des Nebels erfolgte durch Absorption an dem
porösen Filtermaterial, für das man Koks von 1 bis 3 mm oder sonstiges
kleinstückiges keramisches Material verwendete. Solche Filter waren sehr teuer und
hatten wegen der bis zu 1 m großen Schichtdicke einen hohen Durchströmwiderstand
und damit einen großen Druckverlust zur Folge. Außerdem erwiesen sich derartige
Filter als ungeeignet, wenn die Gase durch Staubpartikelchen verunreinigt waren.
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Man hat schon versucht, derartige nebelhaltigen Gase auf elektrischem
Wege zu reinigen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Verarbeitung von stark
säurehaltigen Nebeln leicht elektrische Überschläge auftreten, die den Abscheidungsgrad
verschlechtern, so daß auch diese Verfahrensweise oft unbrauchbar ist.
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Gemäß einer anderen bekannten Verfahrensweise verwendet man massive
keramische Filter mit Porendurchmessern von 20 bis 200 #t und leitet die Gase durch
diese engen Poren mit einer größeren Geschwindigkeit hindurch, als dem Knickpunkt
im logarithmisch aufgetragenen DruckabfaUsdiagramm entspricht. Derartige massive
Filter haben aber einen sehr hohen Gaswiderstand und infolgedessen einen erheblichen
Kraftbedarf. Auch haben solche Filter, wenn das Filtermaterial au's Tüllen besteht,
den betrieblichen Nachteil, daß die Filtertüllen sehr leicht zerbrechen
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Andere bekannte Vorschläge gingen dahin, die feinen Nebel in Venturirohren
oder Hydrozyklonen niederzuschlagen. Diese Einrichtungen haben jedoch gleichfalls
den schwerwiegenden Nachteil eines großen Widerstandes und damit eines großen Kraftbedarfs
sowie eines sehr hohen Wasserverbrauchs.
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Speziell bei der Herstellung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren
wurde auch schon bekannt, die aus dem Kontakt kommenden Gase durch Abkühlung
und gegebenenfalls durch Wasser-bzw. Wasserdampfzusatz zu Schwefelsäurenebel umzuwandeln
und diese in mechanischen Filtervorrichtungen durch eine solche Arbeitsweise abzuscheiden,
daß an der Filtervorrichtung ein Druckabfall von zumindest 200 mm WS eintritt. Diese
bekannte Verfahrensweise beruhte auf der Feststellung, daß zwar mit relativ geringen
Druckverlusten schon Anteile des Nebels in mechanischen Filtern abgeschieden werden
können, daß aber zur Abscheidung der letzten Teile Druckverluste einer bestimmten
Größe angewandt werden müssen. Um auch bei Druckverlusten unter 200 mm WS,
jedoeb nicht unter 50 mm WS und vorzugsweise über 100 mm WS, arbeiten
zu können, war es erforderlich, durch besondere Maßnahmen eine Nebelvergröberung
hervorzurufen und die Nebelbildung so zu lenken, daß ein grobteiliger Nebel entsteht.
Eine solche Verfahrensweise ist jedoch zu umständlich und oft nicht durchführbar.
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Zur Abscheidung fester Beimengungen aus Gasen auf trockenem Wege hat
man schon eine möglichst gründliche Zusammenballung der festen Teilchen und deren
Abscheidung dadurch zu erreichen versucht, daß man die Geschwindigkeit des zu reinigenden
Gases bei der Durchleitung durch das Filter bei geringer Filterschichtstärke sehr
groß, nämlich 8 m/see oder mehr, wählte. Durch die Anwendung einer derartigen
sehr großen Gasgeschwindigkeit sollte trotz geringer Filterhöhe gewährleistet werden,
daß die festen Teilchen den Filterkörnern nicht umströmend ausweichen, sondern durch
Anprall gegen eines der Filterkörner zur Ruhe kommen und sich an den Filterkörnern
agglomerisieren, wobei die geringe Filterhöhe die für die Hervorrufung des Aufpralleffekts
nötige Steigerung der Gasgeschwindigkeit erlauben sollte. Derart sehr große Gasgeschwindigkeiten
sind
jedoch verfahrensmäßig untragbar und führen zu erheblichen Druckverlusten und einer
überaus hohen Beanspruchung der verwendeten Apparaturen. Außerdem läßt sich diese
auf Prallwirkung beruhende Verfahrensweise nur für die Abscheidung fester Teilchen
und nicht für die Abscheidung von feinen Nebeln anwenden.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensweise bezweckt ebenfalls eine Agglomeration
der im zu reinigenden Gas schwebenden flüssigen Nebelteilchen. Dies jedoch nicht
einfach durch geschoßartiges Anprallen gegen die dafür als Hindernis dienenden Filterkörner,
sondern durch turbulentes Durcheinanderwirbeln der im -Gas schwebenden Flüssigkeitströpfchen
bei verhältnismäßig niedrigen Gasgeschwindigkeiten, damit sich die abzuscheidenden
feinen Nebeltröpfchen durch Zusammenprall untereinander möglichst vergrößern können
und im Zuge von Wirbelbewegungen an die Wandungen der einzelnen Abscheidungskörner
gelangen und sich dort ablagern und dadurch ausgeschieden werden.
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Es wurde nämlich gefunden, daß man ohne besondere Maßnahmen, die der
Nebelvergröberung vor dem Filtrieren dienen, -feine Schwefelsäurenebel selbst in
der Größenordnung von 0,1 #t bei verhältnismäßig geringen Druckverlusten
dadurch beseitigen kann, daß man die Nebel enthaltenden Gase oder Dämpfe durch ein
in geringer Schichthöhe vorliegendes feinstückiges Material mit einer ganz bestimmten
Geschwindigkeit hindurchleitet. Die Geschwindigkeit muß so groß sein, daß innerhalb
des aus dem kleinstückigen Material bestehenden Abscheidungsbettes eine überwiegend
turbulente Strömung auftritt. Es ist zwar bei den nach dem Adhäsionsprinzip wirkenden
Reinigern mit Adhäsionsfiltem aus schrauben- oder spiralförmigen Metallbändern bekannt,
die Adhäsionswirkung durch mikroskopisch kleine Gaswirbel zu begünstigen, jedoch
sind solche mikroskopisch kleinen Gaswirbel nur in der verhältnismäßig dünnen Grenzschicht
der bei Adhäsionsfiltem durchweg laminaren Gesamtströmung denkbar und mit einer
Turbulenz der Gesamtströmung nicht vergleichbar.
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Die nachfolgende Versuchsreihe, die die Abhängigkeit des Grades der
Entnebelung von dem Gasdurchgang darstellt, läßt erkennen, wie eine vollständige
Entnebelung des Gases eintritt, wenn man die Gasdurchströrageschwindigkeit über
einem offenbar kritischen Geschwindigkeitsgrenzwert wählt. Bei dieser Versuchsreihe
bestand das Abscheidungsbett aus kleinen Bleikugeln von
2,75 mm Durchmesser
in einer Schichtdicke von
25 mm, in dem Nebel mit einem Gehalt von etwa
30 g SO,/Nm3 als Schwefelsäure wie folgt abgeschieden wurden:
| Tabelle I |
| Gasge- Gas- Zustand des entnebelten Gases |
| schwindigkeit widerstand SOIINM3 |
| Nm3/h. In 2 mm 9 |
| 3650 128 völlig klar 0,07 |
| 3370 114 völlig klar |
| 3150 100 völlig klar |
| 2830 84 völlig klar |
| 2600 72 klar |
| 2150 55 leichte Trübung |
| 1815 44 etwas stärkere |
| Trübung |
| 1475 32 starke Trübung 1,2 |
Aus dieser Versuchsreihe ist zu ersehen, daß im Versuchsfalle eine einwandfreie
Entnebelung der Gase erst dann erreicht wird, wenn pro Quadratmeter mindestens mehr
als
1750 Nm'/h durch das Filterbett streichen. Nach den herrschenden wissenschaftlichen
Erkenntnissen der Strömungslehre ist dies der kritische Geschwindigkeitsgrenzwert,
bei dem sich innerhalb der beün Versuch verwendeten Abscheidungsschicht eine Turbulenz
der Gesamtströmung einstellt.
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Dies läßt sich ohne weiteres erkennen, wenn man aus diesen Versuchswerten
die Reynoldsche Zahl Re ausrechnet nach der für Kugelschüttungen üblichen Definition
in der
G die Massengeschwindigkeit des Gases in kg/m2
- sec im freien
Querschnitt bedeutet und
d
der Durchmesser der Kugeln in Metern ist sowie
A
die Zähigkeit des Gases in kg/m
- sec angibt (vgl. M. L e v a in
der Zeitschrift Chemical Engineering, Mai 1949,
S. 116, rechte Spalte, und
G. K
1 i n
g
in der VDI-Zeitschrift Bd. 84, Nr.
5 vom
3. 2.1940,
S. 86, linke Spalte). Dann läßt sich die vorstehende Tabelle
I wie folgt lesen:
| Tabelle 11 |
| Reynold- |
| Gasge- Gas- Zustand des sche Zahl |
| schwindigkeit widerstand entnebelten Gases Be
G-d |
| Nm3/li . M2 Inni |
| 3650 128 völlig klar 176 |
| 3370 114 völlig klar 162 |
| 3150 100 völlig klar 152 |
| 2830 84 völlig klar 136 |
| 2600 72 klar 125 |
| 2150 55 leichte Trübung 103 |
| 1815 44 etwas stärkere 87 |
| Trübung |
| 1475 32 starke Trübung 71 |
Diese Tabelle zeigt, daß man bei verhältnismäßig geringen Druckverlusten eine einwandfreie
Entnebelung erreicht, wenn man die Nebel enthaltenden Gase durch das Abscheidungsbett
mit einer Geschwindigkeit hindurchleitet, daß innerhalb des Abscheidungsbettes eine
-überwiegend turbulente Strömung auftritt. Denn gemäß der Arbeit von M. L e v a
in der Zeitschrift Chemical Engineering, Mai 1949,
S. 116, rechte Spalte,
ist bei der Durchströmung einer Kugelschüttung die Strömung turbulent, wenn die
Reynoldsche Zahl Re den Wert
100 überschreitet. Gemäß der Arbeit von
G. K
1 in
g in der VDI-Zeitschrift, Bd. 84, Nr.
5 vom
3. 2. 1940 reicht bei der Durchströmung von Kugelschüttungen das Gebiet des
Umschlags in eine turbulente Strömung bis zu einer Reynoldschen Zahl Re von
300. Für das Durchströmen von Materialschüttungen, die nicht aus Kugeln bestehen,
läßt sich die als Maßstab für den Turbulenzeintritt fungierende Reynoldsche Zahl
ähnlich definieren.
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Trotz der verhältnismäßig geringen Gasgeschwindigkeit kann infolge
der Turbulenzwirkung die Schichtdicke
des Abscheidungsbettes verhältnismäßig
gering sein. Schon bei einer Schichtdicke von mehr als drei Lagen der Abscheidungskörner
läßt sich eine einwandfreie Entnebelung erreichen. Die Abscheidungsschicht kann
sowohl aus unregelmäßigen als auch aus regelmäßigen kleinstückigen Filterkörpern
gebildet sein, beispielsweise aus kleinen Koksstückchen, feinkörnigen kieselsäurehaltigen
Massen, Kies, Aktivkohle, Prismen, kleinen Ringen, Sternchenkörpern und Sattelkörperii.
Besonders vorteilhaft ist es, die Abscheidungsschicht aus kleinen Kugeln zu bilden,
die aus verschiedenem Material bestehen können, beispielsweise Bleikugeln oder Glaskugeln.
Die Kornklassen oder Kugelgrößen liegen dabei in der Größenordnung von Millimetern.
Für den Abscheidungsvorgang ist es günstig, das Abscheidungsbett feucht zu halten,
wie dies an sich bei mineralischen Filterplatten bekannt ist. Zweckmäßig wird immer
ein Teil der abzuscheidenden Flüssigkeit wieder auf die Abscheidungsschicht aufgebracht
oder Wasser eingedüst, wenn es der Arbeitsprozeß zuläßt. Beispiel 1
Zur Abscheidung
von Schwefelsäurenebeln, wie sie nach Verlassen eines Kondensationsturmes und Passieren
einer die groben Nebeltröpfchen zurückhaltenden, zweckmäßig im Turm -über Berieselung
angeordneten Füllkörperschicht od. dgl. vorliegen, wurde eine Abscheidungsschicht
aus Bleikugeln von 2,75 mm Durchmesser in einer Schichtdicke von
12,5 mm verwendet. Der Gasdurchgang betrug 3700 Nm3/h - m2.
Bei einem Gehalt von etwa 50 g
H,SO,/Nm3, gerechnet als SO" wurde eine
so weitgehende Entnebelung erreicht, daß die Grenze der Sichtbarkeit unterschritten
wurde. Der Druckabfall betrug nur rund 90 mm WS. Nach der Definition
läßt sich die Reynoldsche Zahl'mit einem Wert von Re = 178 ausrechnen.
Beispiel 2 Statt der 2,75-mm-Bleikugeln wurden 5-mm-Glaskugeln in einer Schichtdicke
von 25 mm angewendet. Der Gasdurchgang betrug 3700 Nmß/h
- m2. Bei den im Beispiel 1 angegebenen schwefelsäurehaltigen Nebeln
wurde eine Abscheidung bis zur Unsichtbarkeit erreicht. Der Druckabfall betrug nur
70 mm WS. Nach der Definition
läßt sich die Reynoldsche Zahl mit einem Wert von Re = 324 ausrechnen.
Beispiel 3
Die im Beispiel 1 angegebenen Gase wurden durch ein Bett
aus kieselsäurehaltigen unregelmäßig geformten porösen Körnern einer Kornklasse
von 2 bis 4 mm geleitet. Die Schichtdicke des Bettes betrug 25 mm und der
Gasdurchgang 3650 Nin3/h - m2. Es wurde eine Entnebelung bis zur Unsichtbarkeit
des Nebels erreicht. Der Widerstand betrug 85 mm WS. Bewertet man rechnerisch
die Körner' der Siebfraktion 2 bis 4 mm wie Kugeln gleichen Volumens von
3 mm, so läßt sich nach der Definition
die Reynoldsche Zahl mit einem Wert von Re = 230
ausrechnen.
Beispiel 4 Die Endgase einer Schwefelsäurekammeränlage, wie sie nach üblicher Beseitigung
der groben Nebeltröpfchen vorliegen, wurden durch das im Beispiel 3
angegebene
Bett aus kleinstückigem Material geleitet. Bei 3150 Nm3/h - M2 Gasdurchgang
wurde der Nebelgehalt von ursprünglich etwa 300 mg auf 16 mg/Nm3 verringert
und lag somit weit unterhalb der Sichtbarkeitsgrenze. Bewertet man rechnerisch die
Körner der Siebfraktion 2 bis 4 mm wie Kugeln gleichen Volumens von 3 mm,
so läßt sich nach der Definition
die Reynoldsche Zahl mit einem Wert von Re = 199
ausrechnen.
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Das Verfahren eignet sich für die Abscheidung aller feinen Schwefelsäurenebel,
die aus Flüssigkeitströpfchen bestehen, wie sie beispielsweise bei der Schwefelsäurefabrikation,
bei der Reinigung der SOp,-haltigenGasevorderKatalyse,beiderVerarbeitung von Schwefelwasserstoff
auf Schwefelsäure ohne besondereTrocknung,beiderKonzentrationvonSchwefelsäure oder
in den Endgasen der Kammer- und Turinanlagen anfallen.