Циклоническое разделение

Метод удаления твердых частиц из потока жидкости путем вихревой сепарации

Частично разрушенный завод с доминирующими циклонными сепараторами

Циклонное разделение — это метод удаления частиц из потока воздуха, газа или жидкости без использования фильтров посредством вихревого разделения. При удалении твердых частиц из жидкости используется гидроциклон , а из газа — газовый циклон. Для разделения смесей твердых веществ и жидкостей используются вращательные эффекты и гравитация . Этот метод также может использоваться для отделения мелких капель жидкости от газообразного потока.

Операция

Высокоскоростной вращающийся (воздушный) поток устанавливается внутри цилиндрического или конического контейнера, называемого циклоном. Воздух течет по спирали , начиная с верхней части (широкого конца) циклона и заканчивая нижним (узким) концом, прежде чем выйти из циклона прямым потоком через центр циклона и наружу сверху. Более крупные (более плотные) частицы во вращающемся потоке имеют слишком большую инерцию, чтобы следовать узкой кривой потока и, таким образом, ударяться о внешнюю стенку, а затем падать на дно циклона, откуда их можно удалить. В конической системе, когда вращающийся поток движется к узкому концу циклона, радиус вращения потока уменьшается, тем самым разделяя все более мелкие частицы. Геометрия циклона вместе с объемным расходом определяет точку среза циклона. Это размер частицы, которая будет удалена из потока с эффективностью 50%. Частицы, размер которых превышает точку отсечки, будут удаляться с большей эффективностью, а частицы меньшего размера — с меньшей эффективностью, поскольку они отделяются с большей трудностью или могут подвергаться повторному уносу, когда воздушный вихрь меняет направление, чтобы двигаться в направлении выходного отверстия. ^[1]

Диаграмма воздушного потока для циклона Aerodyne в стандартном вертикальном положении. Вторичный поток воздуха впрыскивается для уменьшения абразивного износа стенок.

Диаграмма воздушного потока для циклона Aerodyne в горизонтальном положении, альтернативная конструкция. Вторичный поток воздуха впрыскивается для уменьшения абразивного износа стенок и для перемещения собранных частиц в бункер для извлечения.

Альтернативная конструкция циклона использует вторичный поток воздуха внутри циклона, чтобы удерживать собранные частицы от ударов о стенки, чтобы защитить их от истирания. Первичный поток воздуха, содержащий частицы, поступает снизу циклона и принудительно вращается по спирали неподвижными лопастями вращающегося вала. Вторичный поток воздуха поступает сверху циклона и движется вниз к основанию, перехватывая частицы из первичного воздуха. Вторичный поток воздуха также позволяет коллектору опционально устанавливаться горизонтально, поскольку он выталкивает частицы к области сбора и не полагается исключительно на гравитацию для выполнения этой функции.

Использует

Циклонные сепараторы используются во всех типах энергетических и промышленных установок, включая целлюлозно-бумажные комбинаты, цементные заводы, сталелитейные заводы, заводы по производству нефтяного кокса, металлургические заводы, лесопильные заводы и другие виды предприятий, где перерабатывается пыль.

Крупномасштабные циклоны используются на лесопилках для удаления опилок из вытяжного воздуха. Циклоны также используются на нефтеперерабатывающих заводах для разделения масел и газов, а также в цементной промышленности в качестве компонентов подогревателей печей . Циклоны все чаще используются в домашнем хозяйстве в качестве основной технологии в портативных пылесосах без мешка и центральных пылесосах . Циклоны также используются в промышленной и профессиональной кухонной вентиляции для отделения жира от вытяжного воздуха в вытяжных шкафах. ^[2] Меньшие циклоны используются для отделения частиц в воздухе для анализа. Некоторые из них достаточно малы, чтобы их можно было носить прикрепленными к одежде, и используются для отделения вдыхаемых частиц для последующего анализа.

Аналогичные сепараторы используются в нефтеперерабатывающей промышленности (например, для каталитического крекинга ) для быстрого отделения частиц катализатора от реагирующих газов и паров. ^[3]

Аналогичные устройства для отделения частиц или твердых веществ от жидкостей называются гидроциклонами или гидроциклонами. Они могут использоваться для отделения твердых отходов от воды при очистке сточных вод и канализационных стоков .

Типы

Наиболее распространенными типами центробежных, или инерционных, коллекторов, используемых сегодня, являются:

Одноциклонные сепараторы

Сепараторы с одним циклоном создают двойной вихрь для отделения крупной пыли от мелкой. Основной вихрь спирально движется вниз и переносит большую часть более крупных частиц пыли. Внутренний вихрь, созданный около дна циклона, спирально движется вверх и переносит более мелкие частицы пыли.

Многоциклонные сепараторы

Многоциклонные сепараторы состоят из ряда циклонов малого диаметра, работающих параллельно и имеющих общий вход и выход газа, как показано на рисунке, и работают по тому же принципу, что и одноциклонные сепараторы — создавая внешний нисходящий вихрь и восходящий внутренний вихрь.

Сепараторы с несколькими циклонами удаляют больше пыли, чем сепараторы с одним циклоном, поскольку отдельные циклоны имеют большую длину и меньший диаметр. Большая длина обеспечивает большее время пребывания, а меньший диаметр создает большую центробежную силу. Эти два фактора приводят к лучшему отделению частиц пыли. Перепад давления коллекторов сепараторов с несколькими циклонами выше, чем у сепараторов с одним циклоном, что требует больше энергии для очистки того же количества воздуха. Однокамерный циклонный сепаратор того же объема более экономичен, но не удаляет столько пыли.

Сепараторы вторичного воздушного потока

Этот тип циклона использует вторичный поток воздуха, впрыскиваемый в циклон, для выполнения нескольких задач. Вторичный поток воздуха увеличивает скорость циклонного действия, делая сепаратор более эффективным; он перехватывает твердые частицы до того, как они достигнут внутренних стенок устройства; и направляет отделенные твердые частицы в зону сбора. Вторичный поток воздуха защищает сепаратор от истирания твердыми частицами и позволяет устанавливать сепаратор горизонтально, поскольку для перемещения отделенных твердых частиц вниз не требуется сила тяжести.

Теория циклона

Поскольку циклон по сути является двухфазной системой частица-жидкость, для описания поведения циклона можно использовать механику жидкости и уравнения переноса частиц. Воздух в циклоне изначально вводится тангенциально в циклон со скоростью на входе . Предполагая, что частица имеет сферическую форму, можно провести простой анализ для расчета критических размеров частиц разделения. ${\displaystyle V_{in}}$

Если рассмотреть изолированную частицу, вращающуюся в верхнем цилиндрическом компоненте циклона на радиусе вращения от центральной оси циклона, то частица, следовательно, подвергается воздействию лобового сопротивления , центробежной силы и силы плавучести . Учитывая, что скорость жидкости движется по спирали, скорость газа можно разбить на две составляющие скорости: тангенциальную составляющую , и внешнюю радиальную составляющую скорости . Предполагая закон Стокса , сила сопротивления во внешнем радиальном направлении, которая противодействует внешней скорости на любой частице во впускном потоке, равна: ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle V_{t}}$ ${\displaystyle V_{r}}$

${\displaystyle F_{d}=-6\pi r_{p}\mu V_{r}.}$

Используя плотность частицы, центробежная составляющая в наружном радиальном направлении равна: ${\displaystyle \rho _{p}}$

${\displaystyle F_{c}=m{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle ={\frac {4}{3}}\pi \rho _{p}r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}.}$

Компонент силы плавучести направлен вовнутрь радиально. Он противоположен центробежной силе частицы, поскольку она находится в объеме жидкости, который отсутствует по сравнению с окружающей жидкостью. Используя для плотности жидкости, сила плавучести равна: ${\displaystyle \rho _{f}}$

${\displaystyle F_{b}=-V_{p}\rho _{f}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle =-{\frac {4\pi r_{p}^{3}}{3}}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}.}$

В этом случае равен объему частицы (в отличие от скорости). Определение внешнего радиального движения каждой частицы осуществляется путем приравнивания второго закона движения Ньютона сумме этих сил: ${\displaystyle V_{p}}$

${\displaystyle m{\frac {dV_{r}}{dt}}=F_{d}+F_{c}+F_{b}}$

Чтобы упростить это, мы можем предположить, что рассматриваемая частица достигла "конечной скорости", т. е. что ее ускорение равно нулю. Это происходит, когда радиальная скорость вызывает достаточную силу сопротивления, чтобы противостоять центробежной и выталкивающей силам. Это упрощение меняет наше уравнение на: ${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}}$

${\displaystyle F_{d}+F_{c}+F_{b}=0}$

Который расширяется до:

${\displaystyle -6\pi r_{p}\mu V_{r}+{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{p}-{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}=0}$

Решая для мы имеем ${\displaystyle V_{r}}$

${\displaystyle V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})}$.

Обратите внимание, что если плотность жидкости больше плотности частицы, то движение (-) к центру вращения, а если частица плотнее жидкости, то движение (+) от центра. В большинстве случаев это решение используется в качестве руководства при проектировании сепаратора, в то время как фактическая производительность оценивается и изменяется эмпирически.

В неравновесных условиях, когда радиальное ускорение не равно нулю, необходимо решить общее уравнение сверху. Переставляя члены, получаем

${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}+{\frac {9}{2}}{\frac {\mu }{\rho _{p}r_{p}^{2}}}V_{r}-\left(1-{\frac {\rho _{f}}{\rho _{p}}}\right){\frac {V_{t}^{2}}{r}}=0}$

Так как — это расстояние за единицу времени, то это дифференциальное уравнение второго порядка вида . ${\displaystyle V_{r}}$ ${\displaystyle x''+c_{1}x'+c_{2}=0}$

Экспериментально установлено, что составляющая скорости вращательного потока пропорциональна , ^[4] поэтому: ${\displaystyle r^{2}}$

${\displaystyle V_{t}\propto r^{2}.}$

Это означает, что установленная скорость подачи контролирует скорость вихреобразования внутри циклона, и поэтому скорость на произвольном радиусе равна:

${\displaystyle U_{r}=U_{in}{\frac {r}{R_{in}}}.}$

Впоследствии, учитывая значение , возможно, основанное на угле впрыска, и радиусе отсечки, можно оценить характерный радиус фильтрации частиц, выше которого частицы будут удаляться из газового потока. ${\displaystyle V_{t}}$

Альтернативные модели

Приведенные выше уравнения ограничены во многих отношениях. Например, геометрия сепаратора не учитывается, предполагается, что частицы достигают устойчивого состояния, а эффект инверсии вихря в основании циклона также игнорируется, все эти поведения вряд ли будут достигнуты в циклоне в реальных условиях эксплуатации.

Существуют более полные модели, поскольку многие авторы изучали поведение циклонных сепараторов. ^[5] Упрощенные модели, позволяющие быстро рассчитать циклон, с некоторыми ограничениями, были разработаны для обычных приложений в перерабатывающей промышленности. ^[6] Численное моделирование с использованием вычислительной гидродинамики также широко использовалось при изучении циклонического поведения. ^{[7] [8] [9]} Основным ограничением любой модели гидромеханики для циклонных сепараторов является невозможность предсказать агломерацию мелких частиц с более крупными частицами, что оказывает большое влияние на эффективность сбора циклоном. ^[10]

Смотрите также

• Физический портал

• Центрифуга
• Пылесборник
• Процесс вихревого разделения Helikon
• Гидроциклон
• Гидродинамический сепаратор
• Ржавчина (грибок) § Борьба с заболеваниями ржавчинными грибами
• Искрогаситель
• Спиральный сепаратор
• Сливной клапан

Примечания

1. «Методы разделения твердых газов — промышленные пылеуловители — циклоны — скрубберы — фильтрация — PowderProcess.net».
2. Jeven Oy. "Как работают циклонные жироотделители". Архивировано из оригинала 2017-04-21 . Получено 2015-10-07 .
3. Мартин Уард, Седрик Бриенс, Франко Беррути, Тьерри Готье, 2010, «Обзор методов быстрого разделения газа и твердого вещества», IJCRE, 8, R1.
4. Rhodes M. (1998). Введение в технологию частиц . John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-98483-2.
5. Смит, Дж. Л. Мл. (1959). Кандидатская диссертация: Экспериментальное и аналитическое исследование вихря в циклонном сепараторе (диссертация). Массачусетский технологический институт. hdl :1721.1/11792.
6. "Проектирование циклона - Пошаговое руководство - Powderprocess.net" . Получено 26 марта 2023 г.
7. Мартиньони, WP; Бернардо, S.; Квинтани, CL (2007). «Оценка геометрии циклона и ее влияние на параметры производительности с помощью вычислительной гидродинамики (CFD)». Бразильский журнал химической инженерии . 24 : 83–94. doi : 10.1590/S0104-66322007000100008 .
8. Кандидатская диссертация: О потенциале моделирования крупных вихрей для моделирования циклонных сепараторов (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-07-09 . Получено 2009-06-20 .
9. Кандидатская диссертация: Сбор капель в увеличенном вращающемся сепараторе (PDF) .^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
10. Д. Бенони, CL Брайенс, Т. Барон, Э. Дюшен и Т.М. Ноултон, 1994, «Процедура определения агломерации частиц в псевдоожиженном слое и ее влияние на унос», Powder Technology, 78, 33-42.

Ссылки

• Высокоэффективный горизонтальный пылеуловитель
• патент 2377524 (июнь 1945 г.)
• альтернативная ссылка на цитируемый патент