Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul HSA dimensioniert Schwerkraftabscheider für Gas-Flüssigkeits-Gemische in liegender und stehender Bauweise. Wer einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider berechnen will, muss zwei Aufgaben lösen: Die Gasgeschwindigkeit im Behälter muss so weit unter der kritischen Geschwindigkeit liegen, dass der maßgebende Grenztropfen durch Schwerkraft absinkt, bevor das Gas den Austritt erreicht – mit oder ohne unterstützenden Demister –, und das Flüssigkeitsvolumen muss die geforderten Aufenthaltszeiten zwischen den Betriebsständen (Hoch-, Normal- und Tiefstand) bereitstellen.
Das Modul deckt die vollständige Auslegung ab: Grenztropfenberechnung mit und ohne Demister, Eintrittsverteiler und Austritts-Demister, Hoch-Tief-Stände für Holdup-Zeiten, die Beurteilung der Strömungsform im Zulauf (vgl. Modul LOMA), die Auslegung von Wirbelbrechern (Anti-Vortex-Baffles) am Flüssigkeitsabzug sowie den Flüssigkeitsmitriss von Oberflächen. Grundlage sind einschlägige Literaturquellen, darunter A. Bürkholz "Droplet Separation", der VDI-Wärmeatlas (Strömungsformen der Zweiphasenströmung) sowie die Arbeiten von Harlemann und Patterson zur Wirbelbildung an Abzugsstutzen.
Typische Anwendungen im Anlagenbau sind Eintrittsabscheider vor Verdichtern, Flash-Behälter, Rücklaufbehälter von Kolonnen und Slug-Catcher – überall dort, wo mitgerissene Tropfen Maschinen gefährden oder Prozessgrenzen verletzen würden.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Harlemann "Selective Withdrawal from a vertically Stratified Fluid", Intern. Assoc. Hydro. Research Patterson "Experimental Investigation of Critical Submergence for Vortexing in a vertical Cylindrical Tank", University of Southern California VDI-Wärmeatlas / Strömungsformen für Zweiphasen-Strömung R. Marr und F. Moser "Verfahrenstechnik 9" (1975) Nr. 8, S. 379/382 A.Bürkholz, Droplet Separation, VCH. 1989
So läuft die Berechnung ab
- Betriebsdaten und Stoffwerte erfassen: Eingegeben werden Gas- und Flüssigkeitsvolumenstrom, die Dichten beider Phasen, die dynamischen Viskositäten von Gas und Flüssigkeit sowie die Oberflächenspannung. Aus ihnen wird der Gesamtvolumenstrom gebildet und die Strömungsform im Zulauf beurteilt.
- Kritische Gasgeschwindigkeit und Grenztropfen bestimmen: Aus dem Kräftegleichgewicht zwischen Gewichts-, Auftriebs- und Widerstandskraft am Tropfen folgt die Sinkgeschwindigkeit; daraus ergeben sich die kritische Geschwindigkeit des Gases und der kritische Grenztropfen – der kleinste Tropfen, der bei der gewählten Geometrie noch sicher abgeschieden wird.
- Behälterabmessungen festlegen: Über das Verhältnis von Länge zu Durchmesser, die Anzahl der Eintrittsstutzen und den Abstand des Tiefstands (LLL) zum Behälterboden werden Behälterdurchmesser und Behälterlänge so gewählt, dass die verfügbare Querströmungsfläche für das Gas die notwendige Fläche überschreitet und das Verhältnis von Gasgeschwindigkeit zu kritischer Gasgeschwindigkeit unter 1 bleibt.
- Flüssigkeitsstände und Holdup-Zeiten prüfen: Die Flächen zwischen Notstand (ELL), Hochstand (HLL) und Tiefstand (LLL) werden aus der Behältergeometrie berechnet und mit den geforderten Holdup-Zeiten (z. B. vom ELL zum HLL und vom HLL zum LLL) verglichen – sie geben der Regelung und dem Bediener die nötige Reaktionszeit.
- Stutzen und Einbauten auslegen: Der Eintrittsstutzen wird über die kinetische Energie bzw. den Impuls der Zweiphasenströmung (ρ·w²-Kriterium) begrenzt, der Flüssigkeitsabzug gegen Wirbelbildung mit einem Anti-Vortex-Baffle geschützt, dessen Fläche, Seitenlänge und Abstand zum Behälterboden berechnet werden. Optional wird ein Austritts-Demister für die Feinabscheidung vorgesehen.
- Nachweis der Abscheidung: Abschließend wird der tatsächlich abgeschiedene Grenztropfen mit der Anforderung verglichen: Ohne Demister müssen typischerweise Tropfen bis herab zu einigen hundert Mikrometern schwerkraftabgeschieden werden, mit Demister übernimmt dieser die Tropfen unterhalb des Grenztropfens.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Gasvolumenstrom | Vgas | m³/s |
| Flüssigkeitsvolumenstrom | Vfl | m³/s |
| Gesamtvolumenstrom | Vges | m³/s |
| Dichte des Gases | ρg | kg/m³ |
| Dichte des Flüssigkeit | ρfl | kg/m³ |
| ⇒ Kritische Geschwindigkeit des Gases | vc | m/s |
| Dynamische Viskosität des Gases | ηg | mPa·s |
| Oberflächenspannung des Fluids | σ | mN/m |
| Anzahl der Eintrittsstutzen (1 oder 2) | n | – |
| ⇒ notwendige Querströmungsfläche Gas | ≥ | m² |
| Abstand LLL zum Behälterboden | hlb | m |
| Verhältnis der Länge zum Durchmesser | L/D | – |
| Holdup-Time vom ELL zum HLL | ht1 | s |
| ⇒ Fläche zwischen dem ELL und LLL | Ael | m² |
| ⇒ Fläche zwischen LLL - Behälterboden | Alb | m² |
| ⇒ verfügbare Querströmungsfläche Gas | ≥ | m² |
| Holdup-Time vom HLL zum LLL | ht2 | s |
| Behälterdurchmesser | D | m |
| Behälterlänge | L | m |
| Kinetische Energie des Gases | ρg · wst2 | J |
| Innendurchmesser des Einlass-Stutzens | des | m |
| ⇒ Geschwindigkeit im Einlass-Stutzen | wst | m/s |
| Bauart des Einlass-Stutzens | 3 | – |
| Abstand zur Prallplatte | x | m |
Häufige Fragen
Wann wählt man einen liegenden, wann einen stehenden Abscheider?
Stehende Abscheider eignen sich für hohe Gasanteile und geringe Flüssigkeitsmengen: Die Sinkbewegung der Tropfen verläuft entgegen der Gasströmung, die Grundfläche ist klein. Liegende Abscheider sind im Vorteil, wenn große Flüssigkeitsmengen gepuffert werden müssen oder Schwallströmung (Slugs) auftritt – die Tropfen sinken quer zur Gasströmung, und das große Flüssigkeitsvolumen liefert lange Holdup-Zeiten bei moderatem Durchmesser. Bei Dreiphasentrennung (Gas/Öl/Wasser) ist die liegende Bauweise wegen der großen Phasengrenzfläche fast immer die richtige Wahl.
Was bedeutet der Grenztropfen und wovon hängt er ab?
Der Grenztropfen ist der kleinste Tropfendurchmesser, der im Apparat gerade noch vollständig abgeschieden wird: Seine Sinkgeschwindigkeit muss ausreichen, um innerhalb der Verweilzeit des Gases die Gasraumhöhe zu durchqueren. Er hängt von der Dichtedifferenz zwischen Flüssigkeit und Gas, der Gasviskosität, der Gasgeschwindigkeit und der durchströmten Geometrie ab. Reine Schwerkraftabscheider erreichen praktisch Grenztropfen von einigen hundert Mikrometern; feinere Tropfen erfordern einen Demister, der über Trägheitsabscheidung bis in den Bereich weniger Mikrometer wirkt.
Wozu dient das Anti-Vortex-Baffle am Flüssigkeitsabzug?
Sinkt der Flüssigkeitsstand über dem Abzugsstutzen unter eine kritische Überdeckung, bildet sich ein Einlaufwirbel, der Gas in die Flüssigkeitsleitung zieht – mit Kavitations- und Förderproblemen an nachgeschalteten Pumpen. Ein Wirbelbrecher (z. B. Kreuz- oder Plattenbaffle) über dem Stutzen unterbindet die Drallströmung. Das Modul berechnet nach den Untersuchungen von Harlemann und Patterson die erforderliche Baffle-Fläche, Seitenlänge und den Abstand zum Behälterboden in Abhängigkeit von Stutzendurchmesser und Abzugsgeschwindigkeit.
Warum muss die Strömungsform im Zulauf beachtet werden?
Die Zweiphasenströmung in der Zulaufleitung – Schichten-, Wellen-, Schwall- oder Ringströmung nach den Strömungsformenkarten des VDI-Wärmeatlas – bestimmt Tropfenspektrum und Impuls am Eintritt. Schwallströmung bringt stoßartig große Flüssigkeitsmengen und verlangt Puffervolumen sowie einen robusten Eintrittsverteiler; Ringströmung mit hohem Gasimpuls erzeugt feine Tropfen und erschwert die Abscheidung. Zusätzlich wird der Eintrittsimpuls (ρ·w²) begrenzt, um Zerstäubung und Wiedermitriss im Behälter zu vermeiden.