Циклоническая сепарация

Циклонная сепарация — это метод удаления частиц из потока воздуха, газа или жидкости без использования фильтров посредством вихревой сепарации. При удалении твердых частиц из жидкости гидроциклон используется ; в то время как из газа используется газовый циклон. вращения Эффекты и гравитации используются для разделения смесей твердых тел и жидкостей. Метод также может быть использован для отделения мелких капель жидкости от газообразного потока.

Операция

Высокоскоростной вращающийся (воздушный) поток создается внутри цилиндрического или конического контейнера, называемого циклоном. Воздух течет по спирали , начиная с верхнего (широкого конца) циклона и заканчивая нижним (узким) концом, а затем выходит из циклона прямым потоком через центр циклона и выходит через верхнюю часть. Более крупные (плотные) частицы во вращающемся потоке имеют слишком большую инерцию, чтобы следовать крутой кривой потока и, таким образом, ударяются о внешнюю стенку, 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, тем самым отделяя все более мелкие частицы. Геометрия циклона вместе с объемным расходом определяет точку среза циклона. Это размер частиц, которые будут удалены из потока с эффективностью 50%. Частицы размером больше точки отсечения будут удаляться с большей эффективностью, а более мелкие частицы - с меньшей эффективностью, поскольку они отделяются с трудом или могут подвергаться повторному уносу, когда воздушный вихрь меняет направление и движется в направлении выпускного отверстия. ^[1]

Схема воздушного потока циклона Aerodyne в стандартном вертикальном положении. Поток вторичного воздуха подается для уменьшения истирания стенок.

Схема воздушного потока циклона Aerodyne в горизонтальном положении, альтернативная конструкция. Поток вторичного воздуха вводится для уменьшения истирания стенок и для перемещения собранных частиц в бункер для экстракции.

Альтернативная конструкция циклона использует вторичный поток воздуха внутри циклона, чтобы удержать собранные частицы от удара о стенки и защитить их от истирания. Первичный поток воздуха, содержащий частицы, поступает снизу циклона и приводится в спиральное вращение неподвижными вращающимися лопатками. Поток вторичного воздуха поступает сверху циклона и движется вниз к низу, захватывая частицы из первичного воздуха. Поток вторичного воздуха также позволяет опционально установить коллектор горизонтально, поскольку он подталкивает частицы к зоне сбора и не полагается исключительно на силу тяжести для выполнения этой функции.

Использование

Циклонные сепараторы используются во всех типах энергетических и промышленных предприятий, включая целлюлозно-бумажные заводы, цементные заводы, сталелитейные заводы, заводы нефтяного кокса, металлургические заводы, лесопильные заводы и другие виды предприятий, перерабатывающих пыль.

Крупномасштабные циклоны используются на лесопильных заводах для удаления опилок из вытяжного воздуха. Циклоны также используются на нефтеперерабатывающих заводах для разделения нефти и газов, а также в цементной промышленности в качестве компонентов печных подогревателей. Циклоны все чаще используются в домашнем хозяйстве в качестве основной технологии портативных пылесосов без мешка и центральных пылесосов . Циклоны также используются в промышленной и профессиональной кухонной вентиляции для отделения жира от вытяжного воздуха в вытяжных зонтах. ^[2] Циклоны меньшего размера 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.

Подобные сепараторы используются в нефтеперерабатывающей промышленности (например, при жидкостном каталитическом крекинге ) для достижения быстрого отделения частиц катализатора от реагирующих газов и паров. ^[3]

Аналогичные устройства для отделения частиц или твердых частиц от жидкостей называются гидроциклонами или гидроклонами. Их можно использовать для отделения твердых отходов от воды при сточных вод и очистке сточных вод .

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. Главный вихрь движется по спирали вниз и уносит большую часть более крупных частиц пыли. Внутренний вихрь, возникающий у нижней части циклона, движется вверх по спирали и уносит более мелкие частицы пыли.

Многоциклонные сепараторы

Многоциклонные сепараторы состоят из нескольких циклонов малого диаметра, работающих параллельно и имеющих общий вход и выход газа, как показано на рисунке, и работают по тому же принципу, что и одиночные циклонные 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 более длительное время пребывания, а меньший диаметр создает большую центробежную силу. Эти два фактора приводят к лучшему отделению частиц пыли. Падение давления в коллекторах многоциклонных сепараторов выше, чем у одноциклонных сепараторов, поэтому для очистки того же количества воздуха требуется больше энергии. Однокамерный циклонный сепаратор того же объема более экономичен, но удаляет меньше пыли.

Сепараторы вторичного воздуха

В циклоне этого типа используется вторичный поток воздуха, впрыскиваемый в циклон для выполнения нескольких задач. Поток вторичного воздуха увеличивает скорость циклонического действия, делая сепаратор более эффективным; он улавливает частицы до того, как они достигнут внутренних стенок устройства; и это заставляет отделенные частицы двигаться к зоне сбора. Поток вторичного воздуха защищает сепаратор от истирания частиц и позволяет устанавливать сепаратор горизонтально, поскольку движение отделенных частиц вниз не зависит от силы тяжести.

Теория циклонов

Поскольку циклон по существу представляет собой двухфазную систему частица-жидкость, механику жидкости для описания поведения циклона можно использовать и уравнения переноса частиц. Воздух в циклоне первоначально вводится в циклон по касательной со скоростью на входе $V_{in}$ . Предполагая, что частица имеет сферическую форму, можно провести простой анализ для расчета критических размеров частиц при разделении.

Если рассмотреть изолированную частицу, кружащуюся в верхней цилиндрической части циклона с радиусом вращения $r$ расположенных от центральной оси циклона Таким образом, частица подвергается воздействию сил сопротивления , центробежных и плавучих сил, . Учитывая, что скорость жидкости движется по спирали, скорость газа можно разбить на две составляющие скорости: тангенциальную составляющую, $V_{t}$ и внешняя радиальная составляющая скорости $V_{r}$ . Принимая закон Стокса , сила сопротивления во внешнем радиальном направлении, противодействующая внешней скорости любой частицы во впускном потоке, равна:

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

С использованием $\rho _{p}$ как плотность частицы, центробежная составляющая во внешнем радиальном направлении равна:

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

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

Компонента выталкивающей силы направлена внутрь радиально. Она направлена в противоположном направлении центробежной силе частицы, поскольку действует на объем жидкости, которого не хватает по сравнению с окружающей жидкостью. С использованием $\rho _{f}$ для плотности жидкости выталкивающая сила равна:

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 можно найти, установив второй закон движения Ньютона равным сумме этих сил:

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

Для упрощения можно предположить, что рассматриваемая частица достигла «конечной скорости», т. е. что ее ускорение ${\frac {dV_{r}}{dt}}$ равен нулю. Это происходит, когда радиальная скорость вызывает достаточную силу сопротивления, чтобы противостоять центробежным силам и силам плавучести. Это упрощение меняет наше уравнение на:

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

Что 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: если плотность жидкости больше плотности частицы, движение (-) к центру вращения, а если частица плотнее жидкости, движение (+) от центра. . В большинстве случаев это решение используется в качестве руководства при проектировании сепаратора, а фактическая производительность оценивается и модифицируется эмпирическим путем.

В неравновесных условиях, когда радиальное ускорение не равно нулю, необходимо решить общее уравнение, приведенное выше. Переставляя слагаемые, 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 за время, это дифференциальное уравнение 2-го порядка вида $x''+c_{1}x'+c_{2}=0$ .

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

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

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

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

Впоследствии, учитывая значение $V_{t}$ , возможно, на основе угла впрыска и радиуса отсечки, можно оценить характерный радиус фильтрации частиц, выше которого частицы будут удаляться из газового потока.

Альтернативные модели

Вышеупомянутые уравнения ограничены во многих отношениях. Например, не учитывается геометрия сепаратора, предполагается, что частицы достигают устойчивого состояния, а эффект инверсии вихря у основания циклона также игнорируется; все характеристики поведения, которые вряд ли могут быть достигнуты в циклоне при реальные условия эксплуатации.

Существуют более полные модели, поскольку многие авторы изучали поведение циклонных сепараторов. ^[5] Для обычных применений в перерабатывающих отраслях разработаны упрощенные модели, позволяющие с некоторыми ограничениями быстро рассчитать циклон. ^[6] Численное моделирование с использованием вычислительной гидродинамики также широко использовалось при изучении поведения циклонов. ^[7]^[8]^[9] Основным ограничением любой модели механики жидкости для циклонных сепараторов является неспособность предсказать агломерацию мелких частиц с более крупными частицами, что оказывает большое влияние на эффективность улавливания циклонами. ^[10]

См. также

Примечания

^ «Методы разделения твердых газов – Промышленные пылесборники – циклоны – скрубберы – фильтрация – PowderProcess.net» .
^ Джевен Ой. «Как работают циклонные жироотделители» . Архивировано из оригинала 21 апреля 2017 г. Проверено 7 октября 2015 г.
^ Мартин Хуард, Седрик Бриенс, Франко Беррути, Тьерри Готье, 2010, «Обзор методов быстрого разделения газа и твердых веществ», IJCRE, 8, R1.
^ Родос М. (1998). Введение в технологию частиц . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-98483-2 .
^ Смит, Дж. Л. младший (1959). Кандидатская диссертация: Экспериментальное и аналитическое исследование вихря в циклонном сепараторе (Диссертация). Массачусетский технологический институт. hdl : 1721.1/11792 .
^ «Проектирование циклона — Пошаговое руководство — Powderprocess.net» . Проверено 26 марта 2023 г.
^ Мартиньони, В.П.; Бернардо, С.; Кинтани, CL (2007). «Оценка геометрии циклона и ее влияния на параметры производительности методом вычислительной гидродинамики (CFD)» . Бразильский журнал химической инженерии . 24 : 83–94. дои : 10.1590/S0104-66322007000100008 .
^ Кандидатская диссертация: «Потенциал моделирования крупных вихрей для моделирования циклонных сепараторов» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 июля 2007 г. Проверено 20 июня 2009 г.
^ Кандидатская диссертация: Сбор капель в увеличенном вращающемся сепараторе (PDF) . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Д. Бенони, К. Л. Бриенс, 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

[1] «Методы разделения твердых газов – Промышленные пылесборники – циклоны – скрубберы – фильтрация – PowderProcess.net» .

[2] Джевен Ой. «Как работают циклонные жироотделители» . Архивировано из оригинала 21 апреля 2017 г. Проверено 7 октября 2015 г.

[3] Мартин Хуард, Седрик Бриенс, Франко Беррути, Тьерри Готье, 2010, «Обзор методов быстрого разделения газа и твердых веществ», IJCRE, 8, R1.

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

[5] Смит, Дж. Л. младший (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» . Проверено 26 марта 2023 г.

[7] Мартиньони, В.П.; Бернардо, С.; Кинтани, CL (2007). «Оценка геометрии циклона и ее влияния на параметры производительности методом вычислительной гидродинамики (CFD)» . Бразильский журнал химической инженерии . 24 : 83–94. дои : 10.1590/S0104-66322007000100008 .

[8] Кандидатская диссертация: «Потенциал моделирования крупных вихрей для моделирования циклонных сепараторов» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 июля 2007 г. Проверено 20 июня 2009 г.

[9] Кандидатская диссертация: Сбор капель в увеличенном вращающемся сепараторе (PDF) . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[10] Д. Бенони, К. Л. Бриенс, 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]