Циклоническое разделение

Циклоническое разделение - это метод удаления частиц из потока воздуха, газа или жидкости без использования фильтров посредством разделения вихря . При удалении твердых частиц из жидкости гидроциклон используется ; В то время как из газа используется газовый циклон. Вращательные эффекты и гравитация используются для разделения смесей твердых веществ и жидкостей. Метод также может быть использован для отделения мелких капель жидкости от газообразного потока.

Операция

Высокоскоростный вращающийся (воздушный) поток устанавливается в цилиндрическом или коническом контейнере, называемом циклоном. Воздух течет в спиральной схеме, начиная с верхней части (широкий конец) циклона и заканчивается на нижнем (узком) конце, прежде чем выходить из циклон в прямом потоке через центр циклона и сверху. Большие (более плотные) частицы в вращающемся потоке имеют слишком много инерции, чтобы следовать за плотной кривой потока, и, таким образом, ударить внешнюю стену, а затем падают на дно циклона, где их можно удалить. В конической системе, когда вращающийся поток движется к узкому концу циклона, радиус вращения потока уменьшается, что разделяет более мелкие и меньшие частицы. Геометрия циклона вместе с объемной скоростью потока определяет точку разреза циклона. Это размер частицы, которая будет удалена из потока с эффективностью 50%. Частицы, больше, чем точка разреза, будут удалены с большей эффективностью, а более мелкие частицы с более низкой эффективностью, поскольку они разделяются с большей трудностью или могут подвергаться повторному обращению, когда воздушный вихрь обращает направление, чтобы двигаться в направлении выхода. ^{[ 1 ]}

Диаграмма воздушного потока для аэродинического циклона в стандартном вертикальном положении. Вторичный воздушный поток вводится для уменьшения истирания стен.

Диаграмма воздушного потока для аэродинического циклона в горизонтальном положении, альтернативная конструкция. Вторичный воздушный поток вводится для уменьшения истирания стенки и помочь перемещать собранные частицы в бункер для экстракции.

Альтернативная конструкция циклона использует вторичный воздушный поток внутри циклона, чтобы собираемые частицы ударили по стенам, чтобы защитить их от истирания. Первичный воздушный поток, содержащий частицы, поступает от дна циклона и вынужден к спиральному вращению стационарными прядильными лопатами. Вторичный воздушный поток попадает с вершины циклона и движется вниз к дне, перехватывая частицы от первичного воздуха. Вторичный воздушный поток также позволяет коллекционеру, необязательно быть установленным горизонтально, потому что он толкает частицы к области сбора и не полагается исключительно на гравитацию для выполнения этой функции.

Использование

Циклоновые сепараторы обнаруживаются во всех типах энергетических и промышленных применений, включая мякоть и бумажные растения, цементные растения, стальные заводы, растения нефтяных кокс, металлургические растения, лесопильные заводы и другие виды объектов, которые обрабатывают пыль.

Крупномасштабные циклоны используются в лесопильных раскопках для удаления опилок из извлеченного воздуха. Циклоны также используются в нефтеперерабатывающих заводах для разделения масел и газов, а также в цементной промышленности в качестве компонентов печи пег . Циклоны все чаще используются в домохозяйстве, поскольку основная технология в типах портативных пылесосов и центральных пылесосов и центральных пылесосов . Циклоны также используются в промышленной и профессиональной кухонной вентиляции для отделения смазки от выхлопного воздуха в вытягивании. ^{[ 2 ]} Меньшие циклоны используются для разделения воздушных частиц для анализа. Некоторые из них достаточно маленькие, чтобы их можно было носить с обрезанными в одежде, и используются для разделения вдыхаемых частиц для последующего анализа.

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

Аналогичные устройства для отделения частиц или твердых веществ от жидкостей называются гидроциклонами или гидроклонами. Они могут быть использованы для отделения твердых отходов от воды в сточных водах и очистке сточных вод .

Типы

Наиболее распространенные типы центробежных или инерционных коллекционеров, используемых сегодня, - это:

Отдельные сепараторы

Сепараторы с одним циклоном создают двойной вихрь, чтобы отделить грубую от тонкой пыли. Основной вихревой вихрь спираль вниз и несет большинство более грубых частиц пыли. Внутренний вихрь, созданный рядом с нижней частью циклона, спираль вверх и несет более тонкие частицы пыли.

Несколько циклонов сепараторов

Разделители с несколькими циклонами состоят из ряда циклонов с небольшим диаметром, работающих параллельно и имеющими общий впускной и выпуск газа, как показано на рисунке, и работают по тому же принципу, что и отдельные циклонные сепараторы-создание внешнего нисходящего вихря и Восходящий внутренний вихрь.

Разделители с несколькими циклонами удаляют больше пыли, чем отдельные сепараторы циклонов, потому что отдельные циклоны имеют большую длину и меньший диаметр. Более длинная длина обеспечивает более длительное время пребывания, в то время как меньший диаметр создает большую центробежную силу. Эти два фактора приводят к лучшему разделению частиц пыли. Падение давления коллекционеров с несколькими циклонами выше, чем у отдельных сепараторов, что требует большего количества энергии для очистки того же количества воздуха. Однокамерный циклонный сепаратор того же объема более экономичен, но не удаляет столько пыли.

Сепараторы вторичного воздуха

Этот тип циклона использует вторичный воздушный поток, вводимый в циклон для выполнения нескольких вещей. Вторичный воздушный поток увеличивает скорость циклонического действия, что делает сепаратор более эффективным; Он перехватывает частицы, прежде чем он достигнет внутренних стенков устройства; и он заставляет разделенные частицы к площади сбора. Вторичный воздушный поток защищает сепаратор от истирания частиц и позволяет устанавливать сепаратор горизонтально, потому что тяжесть не зависит от перемещения разделенных частиц вниз.

Теория циклонов

Поскольку циклон, по сути, является двухфазной системой частиц-жидкости, механика жидкости и уравнения переноса частиц могут быть использованы для описания поведения циклона. Воздух в циклоне первоначально вводится тангенциально в циклон со скоростью входной доли $V_{in}$ Полем Предполагая, что частица является сферической, может быть установлен простой анализ для расчета критических размеров частиц разделения.

Если рассматривать изолированную частицу, кружащую в верхнем цилиндрическом компоненте циклона в радиусе вращения $r$ Поэтому из центральной оси циклона частица подвергается сопротивлению , центробежным и плавучим силам. Учитывая, что скорость жидкости движется в спирали, скорость газа может быть разбита на две компонентные скорости: тангенциальное компонент, $V_{t}$ и внешний компонент радиальной скорости $V_{r}$ Полем Предполагая, что закон Стокса , сила сопротивления в внешнем радиальном направлении, которое противостоит внешней скорости на любой частице во входе:

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

С использованием $\rho _{p}$ В качестве плотности частицы центробежный компонент в внешнем радиальном направлении:

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

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

Компонент плавучей силы находится во внутреннем радиальном направлении. Он находится в противоположном направлении к центробежной силе частицы, потому что она находится на объеме жидкости, которой отсутствует по сравнению с окружающей жидкостью. С использованием $\rho _{f}$ Для плотности жидкости плавучивая сила:

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

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

В этом случае, $V_{p}$ равен объему частицы (в отличие от скорости). Определение внешнего радиального движения каждой частицы обнаруживается путем установления второго закона движения Ньютона, равного сумме этих сил:

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

Чтобы упростить это, мы можем предположить, что рассматриваемая частица достигла «терминальной скорости», то есть, что ее ускорение ${\frac {dV_{r}}{dt}}$ ноль. Это происходит, когда радиальная скорость вызвала достаточную силу сопротивления, чтобы противостоять центробежным и плавуческим силам. Это упрощение изменяет наше уравнение на:

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

Который расширяется до:

-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

Решение для $V_{r}$ у нас есть

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, чем плотность частицы, движение (--), к центру вращения, и если частица плотнее, чем жидкость, движение (+), вдали от центра Полем В большинстве случаев это решение используется в качестве руководства при разработке сепаратора, в то время как фактическая производительность оценивается и модифицируется эмпирически.

В неравновесных условиях, когда радиальное ускорение не равна нулю, общее уравнение из вышеупомянутых должно быть решено. Перестановка терминов, которые мы получаем

{\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

С $V_{r}$ Расстояние на расстояние, это уравнение дифференциала 2 -го порядка формы $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ .

Экспериментально обнаружено, что компонент скорости вращательного потока пропорциональна $r^{2}$ , ^{[ 4 ]} поэтому:

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

Это означает, что установленная скорость подачи контролирует скорость вихря внутри циклона, и поэтому скорость в произвольном радиусе составляет:

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

Впоследствии, данный значением для $V_{t}$ , возможно, на основе угла впрыска и радиуса отсечения, можно оценить характерный радиус фильтрации частиц, над которым частицы будут удалены из газового потока.

Альтернативные модели

Приведенные выше уравнения ограничены во многих отношениях. Например, геометрия сепаратора не рассматривается, предполагается, что частицы достигают устойчивого состояния, а влияние инверсии вихря у основания циклона также игнорируется, все поведения, которые вряд ли будут достигнуты в циклоне в реальные условия эксплуатации.

Существуют более полные модели, так как многие авторы изучали поведение сепараторов циклонов. ^{[ 5 ]} Упрощенные модели, позволяющие быстро расчет циклона с некоторыми ограничениями, были разработаны для общих применений в промышленности процессов. ^{[ 6 ]} Численное моделирование с использованием вычислительной динамики жидкости также широко использовалось при изучении циклонического поведения. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Основным ограничением любой модели механиков жидкости для сепараторов циклонов является неспособность предсказать агломерацию мелких частиц с более крупными частицами, что оказывает большое влияние на эффективность сбора циклонов. ^{[ 10 ]}

Смотрите также

Примечания

^ «Методы разделения твердого газа - Коллекционеры промышленных пыли - циклон - скрубберы - фильтрация - pusmerprocess.net» .
^ Jeven oy. «Как работают сепараторы циклона смазки» . Архивировано из оригинала 2017-04-21 . Получено 2015-10-07 .
^ Мартин Хуард, Седрик Бриенс, Франко Беррути, Тьерри Готье, 2010, «Обзор методов быстрого использования газа солидности», IJCRE, 8, R1.
^ Родс М. (1998). Введение в технологию частиц . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-98483-2 .
^ Смит, JL Jr. (1959). Кандидатская диссертация: Экспериментальное и аналитическое исследование вихря в циклоне сепаратора (тезис). Массачусетский технологический институт. HDL : 1721.1/11792 .
^ «Дизайн циклона - пошаговый гид - PusmerProcess.net» . Получено 26 марта 2023 года .
^ Martignoni, WP; Бернардо, с.; Quintani, CL (2007). «Оценка геометрии циклонов и ее влияние на параметры производительности с помощью вычислительной динамики жидкости (CFD)» . Бразильский журнал химического машиностроения . 24 : 83–94. doi : 10.1590/s0104-66322007000100008 .
^ Докторская диссертация: О потенциале большого вихревого моделирования для моделирования сепараторов циклонов (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) на 2007-07-09 . Получено 2009-06-20 .
^ Кандидатская диссертация: коллекция капель в масштабированном вращающемся сепараторе (PDF) . ^{[ Постоянная мертвая ссылка ]}
^ D. Benoni, Cl Briens, T. Baron, E. Duchesne and Tm Knowlton, 1994, «Процедура определения агломерации частиц в псевдоожиженном слоем и его влиянии на увлечение», Technology Technology, 78, 33-42.

Ссылки

[1] «Методы разделения твердого газа - Коллекционеры промышленных пыли - циклон - скрубберы - фильтрация - pusmerprocess.net» .

[2] Jeven oy. «Как работают сепараторы циклона смазки» . Архивировано из оригинала 2017-04-21 . Получено 2015-10-07 .

[3] Мартин Хуард, Седрик Бриенс, Франко Беррути, Тьерри Готье, 2010, «Обзор методов быстрого использования газа солидности», IJCRE, 8, R1.

[Rhodes-4] Родс М. (1998). Введение в технологию частиц . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-98483-2 .

[5] Смит, JL Jr. (1959). Кандидатская диссертация: Экспериментальное и аналитическое исследование вихря в циклоне сепаратора (тезис). Массачусетский технологический институт. HDL : 1721.1/11792 .

[6] «Дизайн циклона - пошаговый гид - PusmerProcess.net» . Получено 26 марта 2023 года .

[7] Martignoni, WP; Бернардо, с.; Quintani, CL (2007). «Оценка геометрии циклонов и ее влияние на параметры производительности с помощью вычислительной динамики жидкости (CFD)» . Бразильский журнал химического машиностроения . 24 : 83–94. doi : 10.1590/s0104-66322007000100008 .

[8] Докторская диссертация: О потенциале большого вихревого моделирования для моделирования сепараторов циклонов (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) на 2007-07-09 . Получено 2009-06-20 .

[9] Кандидатская диссертация: коллекция капель в масштабированном вращающемся сепараторе (PDF) . ^{[ Постоянная мертвая ссылка ]}

[10] D. Benoni, Cl Briens, T. Baron, E. Duchesne and Tm Knowlton, 1994, «Процедура определения агломерации частиц в псевдоожиженном слоем и его влиянии на увлечение», Technology Technology, 78, 33-42.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]