Циклонная сепарация

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в основном непроверенным, поскольку в нем отсутствуют соответствующие встроенные ссылки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Октябрь 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Частично снесенный завод с преобладающими циклонными сепараторами

Циклонная сепарация - это метод удаления твердых частиц из потока воздуха, газа или жидкости без использования фильтров посредством вихревой сепарации. При удалении твердых частиц из жидкости используется гидроциклон ; а от газа - газовый циклон. Вращательные эффекты и гравитация используются для разделения смесей твердых тел и жидкостей. Этот метод также можно использовать для отделения мелких капелек жидкости от газового потока.

В цилиндрическом или коническом контейнере, называемом циклоном, создается высокоскоростной вращающийся (воздушный) поток . Воздух течет по спирали , начиная с верха (широкий конец) циклона и заканчивая нижним (узким) концом, после чего выходит из циклона прямым потоком через центр циклона и выходит из верхней части. Более крупные (более плотные) частицы во вращающемся потоке обладают слишком большой инерцией, чтобы следовать по крутому изгибу потока и, таким образом, ударяются о внешнюю стенку, а затем падают на дно циклона, откуда их можно удалить. В конической системе, когда вращающийся поток движется к узкому концу циклона, радиус вращения потока уменьшается, таким образом разделяя все более мелкие частицы. Геометрия циклона вместе с объемным расходом, определяет точку отсечки циклона. Это размер частиц, которые будут удалены из потока с эффективностью 50%. Частицы, размер которых превышает точку разреза, будут удаляться с большей эффективностью, а более мелкие частицы - с меньшей эффективностью, поскольку они отделяются с большим трудом или могут подвергаться повторному уносу, когда воздушный вихрь меняет направление, чтобы двигаться в направлении выхода. ^[1]

Схема воздушного потока циклона Aerodyne в стандартном вертикальном положении. Вторичный поток воздуха нагнетается для уменьшения истирания стен.

Схема воздушного потока циклона Aerodyne в горизонтальном положении, альтернативная конструкция. Вторичный поток воздуха нагнетается для уменьшения истирания стенок и для перемещения собранных частиц в бункер для экстракции.

В альтернативной конструкции циклона используется вторичный воздушный поток внутри циклона, чтобы удерживать собранные частицы от ударов о стенки, чтобы защитить их от истирания. Первичный воздушный поток, содержащий твердые частицы, поступает из нижней части циклона и приводится во вращение по спирали с помощью неподвижных лопастей вращателя. Вторичный воздушный поток поступает через верхнюю часть циклона и движется вниз к его низу, задерживая частицы из первичного воздуха. Вторичный воздушный поток также позволяет при желании устанавливать коллектор горизонтально, потому что он толкает частицы к зоне сбора и не полагается только на силу тяжести для выполнения этой функции.

На лесопильных заводах используются крупномасштабные циклоны для удаления опилок из отработанного 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 как основная технология в портативных пылесосах без мешков и центральных пылесосах . Циклоны также используются в промышленной и профессиональной вентиляции кухонь для отделения жира от вытяжного воздуха в вытяжных шкафах. ^[2]Циклоны меньшего размера используются для отделения взвешенных в воздухе частиц для анализа. Некоторые из них достаточно малы, чтобы их можно было носить пристегнутыми к одежде, и они используются для отделения вдыхаемых частиц для последующего анализа.

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

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

Теория циклонов [ править ]

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

Если рассматривать изолированную частицу, вращающуюся в верхнем цилиндрическом компоненте циклона с радиусом вращения от центральной оси циклона, на частицу, следовательно, действуют силы сопротивления , центробежные и выталкивающие силы. Учитывая, что скорость жидкости движется по спирали, скорость газа может быть разбита на две составляющие скорости: тангенциальную составляющую , и радиальную составляющую скорости, направленную наружу . Принимая закон Стокса , сила сопротивления во внешнем радиальном направлении, которая противодействует внешней скорости любой частице во входящем потоке, равна:${\ displaystyle r}$${\ displaystyle V_ {t}}$${\ displaystyle V_ {r}}$

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

В качестве плотности частицы центробежная составляющая во внешнем радиальном направлении равна:${\ displaystyle \ rho _ {p}}$

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

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

Составляющая выталкивающей силы направлена ​​внутрь в радиальном направлении. Он находится в направлении, противоположном центробежной силе частицы, потому что он находится в объеме жидкости, который отсутствует по сравнению с окружающей жидкостью. Используя для плотности жидкости, подъемная сила 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 она равна объему частицы (а не скорости). Чтобы определить радиальное движение каждой частицы наружу, нужно установить второй закон движения Ньютона равным 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 вызвала достаточную силу сопротивления для противодействия центробежным силам и силам плавучести. Это упрощение меняет наше уравнение на:${\ displaystyle {\ frac {dV_ {r}} {dt}}}$

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

Что 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, что у нас есть${\displaystyle V_{r}}$

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

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

В неравновесных условиях, когда радиальное ускорение не равно нулю, необходимо решить общее уравнение сверху. Переставляя термины, 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 расстояние за время, это дифференциальное уравнение 2-го 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 завихрения 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 [ править ]

Приведенные выше уравнения ограничены во многих отношениях. Например, не учитывается геометрия сепаратора, предполагается, что частицы достигают устойчивого состояния, и эффект инверсии вихря в основании циклона также игнорируется, все поведение, которое вряд ли будет достигнуто в циклоне при реальные условия 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 общих приложений в обрабатывающих отраслях. ^[6] Численное моделирование с использованием вычислительной гидродинамики также широко использовалось при изучении циклонического поведения. ^{[7] [8] [9]} Основным ограничением любой модели механики жидкости для циклонных сепараторов является невозможность прогнозировать агломерацию мелких частиц с более крупными частицами, что оказывает большое влияние на эффективность улавливания циклонов. ^[10]

См. Также [ править ]

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

• Высокоэффективный горизонтальный сбор пыли
• патент 2377524 (июнь 1945 г.). ссылка не работает
• альтернативная ссылка на цитируемый патент