Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul VSA dimensioniert vertikale Schwerkraftabscheider für Gas-Flüssigkeits-Gemische. Berechnet werden die Grenztropfengeschwindigkeit mit und ohne Demister (Drahtgestrick), der erforderliche Behälterdurchmesser, die Stutzengeschwindigkeiten an Eintritt sowie Gas- und Flüssigkeitsaustritt, die Hoch- und Tiefstände für die geforderten Aufenthaltszeiten und die Wirbelbrecher-Auslegung am Flüssigkeitsablauf. Grundlage sind die einschlägigen Ansätze der Fachliteratur, unter anderem der VDI-Wärmeatlas für die Strömungsform im Zulauf und Bürkholz' Standardwerk zur Tropfenabscheidung.
Gas-Flüssigkeits-Abscheider stehen in nahezu jeder verfahrenstechnischen Anlage: als Saugflaschen vor Verdichtern, als Entspannungsbehälter (Flash-Trommeln), am Kolonnenkopf oder in der Erdgasaufbereitung. Die Auslegung eines Schwerkraftabscheiders entscheidet darüber, ob Tropfen zuverlässig abgeschieden werden oder als Flüssigkeitsmitriss nachgeschaltete Maschinen und Apparate gefährden – ein zu klein gewählter Durchmesser ist eine der häufigsten Ursachen für Verdichterschäden.
Das Modul prüft dazu die maßgebenden Geschwindigkeitskriterien: die zulässige Gasgeschwindigkeit im Abscheideraum (Grenztropfenmodell bzw. Gestrickbelastung), die maximale Eintrittsgeschwindigkeit am Eintrittsstutzen und -verteiler, die Austrittsgeschwindigkeiten sowie den erforderlichen Abstand zwischen Eintritt und höchstem Flüssigkeitsstand (HLL).
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 Strömungsform bestimmen: Aus den Volumenströmen und Dichten von Gas und Flüssigkeit wird zunächst die Strömungsform in der Zulaufleitung nach den Zweiphasen-Strömungskarten (VDI-Wärmeatlas) beurteilt – sie bestimmt, wie stark die Flüssigkeit am Eintritt dispergiert ankommt und welcher Eintrittsverteiler geeignet ist.
- Zulässige Gasgeschwindigkeit im Abscheideraum: Ohne Demister folgt die zulässige Gasgeschwindigkeit aus der Sinkgeschwindigkeit des Grenztropfens, der gerade noch gegen die aufwärts gerichtete Gasströmung absinken kann; mit Demister aus der zulässigen Gestrickbelastung. Daraus ergibt sich der erforderliche Behälterdurchmesser für die vorgegebene Gasmenge.
- Stutzen auslegen: Die Geschwindigkeiten am Eintrittsrohr, am Gasaustritt und am Flüssigkeitsaustritt werden berechnet und mit den zulässigen Werten verglichen (z. B. Impulsstrom-Kriterium am Eintritt, um Tropfenzerteilung und Gestrickbeschädigung zu vermeiden). Der erforderliche Abstand zwischen Eintrittsstutzen und höchstem Flüssigkeitsstand (HLL) stellt sicher, dass die Gasströmung die Flüssigkeitsoberfläche nicht aufreißt.
- Flüssigkeitsstände und Aufenthaltszeiten festlegen: Aus den geforderten Aufenthalts- und Reaktionszeiten (z. B. für Regelung und Alarmierung) werden die Hoch- und Tiefstände (HLL/LLL) und damit das nötige Flüssigkeitsvolumen zwischen den Ständen bestimmt.
- Wirbelbrecher und Mitriss prüfen: Am Flüssigkeitsablauf wird nach den Ansätzen von Harlemann und Patterson die kritische Überdeckung gegen Wirbelbildung geprüft und ein Wirbelbrecher dimensioniert, damit kein Gas in die Flüssigkeitsleitung eingezogen wird. Ergänzend wird der Flüssigkeitsmitriss von Oberflächen bewertet.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Abscheidertyp mit Gestrick | = 1 CWMS = Crinkled Wire Mesh Screen | – |
| Gas Eintritt | Vg | m³/h |
| Flüssigkeit Eintritt | Vl | m³/h |
| Dichte Flüssigkeit | ρl | kg/m³ |
| Dichte Gas | ρg | kg/m³ |
| Oberflächenspannung | σ | mN/m |
| Dynamische Viskosität Gas | ηg | mPa·s |
| Dynamische Viskosität Fl. | ηl | mPa·s |
| Krit. Geschwindigkeit im Abscheider | voG | m/s |
| Stutzen Gas Eintritt | dge | mm |
| Stutzen Gas Austritt | dga | mm |
| Abstand Gestrick-Austritt | h7 | mm |
| Schlitzbreite | s | mm |
| Lochdurchmesser | dh | mm |
| Behälterdurchmesser | D | mm |
| Abstand LLL-Austritt | h1 | mm |
| Durchmesser Gestrick | DG | mm |
| Stützring für Gestrick | W | mm |
| Max. zul. krit. Geschwindigkeit | vmax | % |
| Geschwindigkeit im Abscheider | vAb | m/s |
| Krit. Geschwindigkeit im Abscheider | vmG | m/s |
| Verweilzeit (ELL-HLL) | t3 | min |
| Höhe (ELL-HLL) | h3 | mm |
| Verweilzeit (HLL-LLL) | t2 | min |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Max. Geschwindigkeit Eintritt | ve | m/s |
| Erforderl. Abst. Eintritt-HLL | x | mm |
| GeschwindigkeitEintrittsrohr | ve,in | m/s |
| Geschwindigkeit Flüssigkeit Aus | vl | m/s |
| Geschwindigkeit Gas Aus | vg | m/s |
Häufige Fragen
Wann genügt ein Schwerkraftabscheider ohne Demister, wann braucht es ein Drahtgestrick?
Die reine Schwerkraftabscheidung erfasst nur relativ große Tropfen – wirtschaftliche Baugrößen erreichen Grenztropfen von etwa 100 bis 300 µm. Ein Drahtgestrick-Demister scheidet auch Tropfen bis herab zu wenigen Mikrometern ab und erlaubt zugleich höhere Gasgeschwindigkeiten, also kleinere Durchmesser. Ohne Demister kommt man aus, wenn grober Mitriss zulässig ist oder das Gestrick wegen Verschmutzung, Verkrustung oder Polymerisation ausscheidet.
Was ist der Grenztropfen und wie bestimmt er den Behälterdurchmesser?
Der Grenztropfen ist der kleinste Tropfen, der noch abgeschieden werden soll. Seine stationäre Sinkgeschwindigkeit im Gas – aus dem Kräftegleichgewicht von Gewicht, Auftrieb und Widerstand – ist die maximal zulässige Aufwärtsgeschwindigkeit des Gases im Abscheideraum. Der Behälterquerschnitt muss so groß sein, dass der Gasvolumenstrom diese Geschwindigkeit nicht überschreitet; der Durchmesser folgt direkt daraus.
Warum ist die Eintrittsgeschwindigkeit begrenzt?
Ein zu hoher Impulsstrom (ρ·w²) am Eintritt zerschlägt die Flüssigkeit in feine Sekundärtropfen, die die Schwerkraftabscheidung nicht mehr erfasst, und kann Gestricke mechanisch beschädigen. Übliche Auslegungsregeln begrenzen deshalb ρ·w² am Eintrittsstutzen und sehen Eintrittsverteiler (Prallplatte, Schlitzverteiler, Zyklon-Einlauf) vor, die den Impuls abbauen und die Vorabscheidung übernehmen.
Wozu dient der Wirbelbrecher am Flüssigkeitsablauf?
Sinkt die Überdeckung über dem Ablaufstutzen unter die kritische Höhe, bildet sich ein luftziehender Wirbel, über den Gas in die Flüssigkeitsleitung gelangt – mit Kavitation und Förderabriss an nachgeschalteten Pumpen als Folge. Der Wirbelbrecher (Kreuzblech oder Lochplatte über dem Stutzen) unterbindet die Rotation; das Modul prüft die kritische Überdeckung nach den experimentellen Ansätzen von Patterson und Harlemann und legt den Wirbelbrecher aus.