Boost in technologie voor scheiding van deeltjes uit gas

Gebaseerd op decennialang partnership tussen universiteit en industrie

Een decennialang samenwerkingsverband tussen Shell en de universiteit heeft geleid tot een keten van innovaties op het gebied van scheiders van deeltjes uit gas: zowel het universitair denken als het industrieel ontwerp is sterk verbeterd als een synergetisch effect. Cruciaal was de sponsoring van masterstudies waarbij jonge studenten en academici uit beide organisaties elkaar stimuleerden, met beide auteurs van dit artikel als geëngageerde experts. In dit artikel worden de technische resultaten van deze succesvolle samenwerking toegelicht.

scheider deeltjes uit gas

 

Verantwoording

Cyclonen bestaan zo’n 130 jaar en lijken uitontwikkeld. Toch, de artikelen die de auteurs geschreven en verzameld hebben op ResearchGate [1], worden nog steeds 100 keer per week geraadpleegd! De hydrodynamische wervel (met of zonder deeltjes) in cycloontjes van ca. 15 cm diameter - zoals ook Hoffmann op de universiteit (eerst aan RUG Groningen; later aan UiB Bergen, Noorwegen) bestudeert - blijft intrigeren. Daarnaast is in de industrie deze bewaker van een schone gasuitlaat (met diameters tot 2 m) in vele gevallen bepalend of een proces kan bestaan of niet, zoals Dries (Shell) dat onderzocht voor het Fluidized Catalytic Cracking (FCC) proces [2]. Shell was vooral op zoek naar een cycloondesign dat de betrouwbaarheid en efficiëntie verhoogt, en dat gedurende een ononderbroken FCC-run van 4 jaar. Het katalysatorpoeder is erosief, de temperatuurschommelingen in de vaten hoog, de snelheden in de cyclonen ook hoog, en de olie steeds vervuilender. Scheuren of slijtgaten kunnen ontstaan, of ook poedervervuiling kan plaatsvinden, wat – als het valt – de cycloon kan verstoppen. Dit heeft vaak een week processtilstand als gevolg, en dat met een productieverlies van een half miljoen € per dag! We hebben wat extreme schade in foto’s bijgevoegd: het wegslijten van de hele inlaat, het aangroeien met poedermassa van de gasuitlaat en een gat in de bodem ontstaan door de heftige vortex die zich door de wand boort [Figuur 1].

Hoffmann’s groep had een adequate expertise met experimenteer- en simulatiemogelijkheden, door studenten uitgevoerd. Zij vormden een geweldig team samen met jonge Shell-medewerkers in hun eerste job binnen R&D. Elk jaar werd een item gedefinieerd dat verder onderzocht zou worden. Voor Shell kon dat bijvoorbeeld een verbeterd design van de gasuitlaat zijn, voor de universiteit een verbetering van hun meet- en/of rekenmogelijkheden, plus de beschrijving van specifieke hydrodynamica in de cycloon. Deels was het resultaat Shell-confidentieel, en deels geschikt voor publicatie. De studenten waren enthousiast en werden door Shell soms uitgenodigd om het werk aan een klant te verdedigen. Anderen zochten en kregen later een baan bij Shell. Uiteindelijk werd het werkresultaat binnen Shell verder klaargemaakt voor implementatie. Deze samenwerking tussen de universiteit en Shell resulteerde in een grote hoeveelheid van gebruiksklare resultaten, conferentiepapers, wetenschappelijke artikelen, promotiepapers en een populair boek over cycloonscheiders, met Hoffmann en een Shell-medewerker als auteurs [3].

1ste product: cycloon voor poederscheiding uit gas

Een cycloon heeft de volgende geometrie-aspecten die afzonderlijk geoptimaliseerd worden:

  • de cycloon-inlaat (intrede van gas en poeder) en de configuratie van de gasuitlaat in relatie tot de inlaat (diameter en insteek-diepte en afstand tot de inlaat);
  • de cycloon zelf (cylinder plus cone; de lengte ervan) en
  • de bodemuitlaat (hopper met al dan niet een stabiliser).

 

Van een serie van twee cyclonen heeft de eerste de taak om de grootste poedermassa af te scheiden.

De inlaat en de gasuitlaat in relatie tot de inlaat

De inlaat is of direct tangentieel op, of met een krul om de cycloonwand geplaatst. Beheersing van hoge lokale snelheden is van groot belang om het bombardement van erosieve deeltjes op de wand te begeleiden. Hoffmann heeft met een LDA-techniek laten zien dat de tangentiele snelheden veel hoger waren dan via CFD verwacht waren, en ook dat er secundaire stromen waren waarmee micro-deeltjes langs het cycloondak naar de gasuitlaat stromen. Deze kunnen fuseren aan de uitlaat en – mocht deze als brok vallen – de bodemuitlaat blokkeren. De foto laat de aangroei zien. De simulatie en het testwerk hebben tot een designoptimalisatie geleid.

De cycloonbody zelf

Hoffmann’s best gelezen artikel is die betreffende de cycloonlengte. Als die toeneemt dan gaat én de afscheiding beter, én neemt de drukval af. Maar in hoeverre geldt dat? Hoffmann’s experimenten toonden aan dat bij een lengte/diameterratio van meer dan 5,5 de efficiëntie drastisch vermindert door het loslaten van het vortex-einde. Later gebruikte hij unieke methodes om dat vortex-einde ook echt te laten zien (zie TSS hierna); geen enkele rekenmethode heeft zoiets mogelijk gemaakt.

De bodemuitlaatsectie

Shell’s cyclonen zijn uniek in de toevoeging van een stabiliser in de bodem: hiermee wordt de vortex gestopt en vastgepind in het midden, zodat de erosie van de wand stopt. Twee andere voordelen: eventuele brokstukken kunnen worden opgevangen en ook is de onderdruk onder de stabiliser minder dan zonder, wat capaciteitsvergrotend werkt voor de dipleg eronder.

In een separaat gesponsorde studie betreffende de stroming in en capaciteit van diplegs is het poedergedrag aldaar bestudeerd. Bijzonder is dat we concludeerden dat deeltjes zich voortbewegen in clusters van zo’n 300 micron: deze bevatten de gehele deeltjespopulatie. Dat maakt dat hoog beladen cyclonen zo super efficiënt zijn, want deeltjes afscheiden van 300 micron, dat is niet zo moeilijk.

2e product: Swirltubes voor de TSS

third-stage separatorDe Shell TSS (Third Stage Separator) [Figuur 2a] is het enorme multicycloonvat waarin alle restdeeltjes >2 micron worden afgescheiden. De uitdaging in de recente decennia was om de stofuitstoot tot zelfs beneden de vereiste 50 mg/Nm³ te krijgen; en dat middels designverbeteringen. De TSS bevat een grote hoeveelheid cycloontjes met schoepen die de werveling verzorgen. 
Experimenteel werk van Hoffmann aan één swirltube leverde soortgelijke resultaten op als voor traditionele cyclonen. 
Echter, de grootste opgave was de ‘crosstalk’: de vraag of alle parallelle swirltubes wel gelijk belast worden of dat de gasverdeling niet uniform is en er deels gas lekt van de ene swirltube, via de bodem naar een andere samen met reeds afgescheiden stof?
Hiertoe ontwikkelde Hoffmann een revolutionaire techniek om het verschil in vortex-eindes zichtbaar te maken [Figuur 2b]. Daartoe werd het gas getraceerd met zeepbellen en gevuld met het lichte helium. Designverbeteringen waren het glad maken en het verlengen van de swirltube-buis, en ook het gebruik van stabilisers om de vortex langer en de efficiency hoger te maken. Het commercieel design kon ook de gevaren van crosstalk weerstaan.

Bijproducten: Capaciteit van alternatieve scheiders

De expertise die de auteurs samen opbouwden leverde ook cruciale informatie op over de capaciteit van andere scheiders waarvan we alleen atmosferische informatie hadden, maar die gebruikt moesten worden bij zeer hoge werkdruk. Zo werd de ‘golfplaat’-gas-vloeistofdruppelscheider onderzocht; deze heeft een heel hoge capaciteit voor atmosferische water/luchtomstandigheden, maar een zéér lage bij hoge druk voor oliecondensaatscheiding. Een capaciteitscriterium is gevonden waarin echt alle gas- en vloeistofeigenschappen, snelheden en ratio’s zijn meegenomen.

 

golfplaatscheider

 

Ook is de capaciteit van atmosferisch opererende verticale filtratievaten met filterkaarsen bekend. Maar over een design met 1.000 kaarsen, op zeer hoge druk, daar was men zeer onzeker. Een kleine cruciale test, gekoppeld aan het Saunders-Brown-criterium uit distillatie heeft Shell een operationeel drama bespaard.

 

kaarsenfilter design met bodeminlaat

 

Conclusie

Gedurende 25 jaar samenwerking zijn drastische stappen gemaakt in kennis en design van equipment in het veld van deeltjesscheiding uit gas. Papers, artikelen, patenten én een boek zijn de getuigen. Cruciaal in de samenwerking was het hebben van geëngageerde experts in beide ondernemingen die jaarlijks het studieonderwerp bijstelden, uitgevoerd door enthousiaste masterstudenten en jonge ingenieurs in hun eerste job.

 

Referenties

[1] Een uitgebreide Engelstalige versie van dit artikel is te vinden onder[1] Een uitgebreide Engelstalige versie van dit artikel is te vinden onderhttps://www.researchgate.net/profile/Huub_Dries2/research 
Dat bevat ook de geproduceerde artikelen en presentaties in de projecten:

  • centrifugal-separators
  • Effect-of-High-Pressure-on-powder- droplet-separation en
  • fcc-powder-downflow-in-diplegs-and- standpipes.

[2] H.Dries: “FCC-cyclones”, Petro.Tech.Quarterly; Spring 2001; 21-28
[3] A.Hoffmann & L.Stein: “Gas cyclones and Swirltbes”; 2007, ISBN 978-3-540-74694-2

 

Kleurenschema
Aantal tegels per rij
Beeldverhouding
Weergave
Hoeken afronden
0

Welkom bij NPT 

NPT maakt gebruik van cookies om uw gebruikservaring te optimaliseren en te personaliseren. Door gebruik te maken van deze website gaat u akkoord met Het privacy- en cookiebeleid.