Циклонная сепарация - Cyclonic separation

Частично снесенный завод с преобладающими циклонными сепараторами

Циклонная сепарация это метод удаления частицы из потока воздуха, газа или жидкости без использования фильтры, через вихрь разделение. При удалении твердых частиц из жидкости гидроциклон используется; а от газа - газовый циклон. Вращательный эффекты и сила тяжести используются для разделения смесей твердых тел и жидкостей. Этот метод также можно использовать для отделения мелких капелек жидкости от газового потока.

Высокоскоростной вращающийся (воздушный) поток устанавливается в цилиндрической или конический контейнер называется циклон. Воздушные потоки в спиральный рисунок, начинающийся в верхней части (широкий конец) циклона и заканчивающийся в нижнем (узком) конце перед выходом из циклона прямым потоком через центр циклона и выходом 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 объемный расход, определяет точка разреза 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 воздушный поток 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.

Циклоны большого размера используются в лесопилки удалять опилки из вытяжного воздуха. Циклоны также используются в нефтеперерабатывающие заводы для разделения масел и газов, а также в цемент промышленность как компоненты печь подогреватели. Циклоны все чаще используются в домашнем хозяйстве как основная технология в портативных безмешковых моделях. пылесосы и центральные пылесосы. Циклоны также используются в промышленных и профессиональных вентиляция кухни для отделения жира от отработанного 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 разделители используются в переработка нефти промышленность (например, для Каталитический крекинг в псевдоожиженном слое ) для достижения 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 в Сточные Воды и очистка сточных вод.

Теория циклонов

Поскольку циклон представляет собой двухфазную систему частицы-жидкость, механика жидкости а уравнения переноса частиц можно использовать для описания поведения циклона. Воздух в циклоне сначала вводится в циклон по касательной со скоростью на входе ${ displaystyle V_ {in}}$ . Предполагая, что частица имеет сферическую форму, можно выполнить простой анализ для расчета критических размеров частиц разделения.

Если рассматривать изолированную частицу, вращающуюся в верхнем цилиндрическом компоненте циклона с радиусом вращения ${ displaystyle r}$ от центральной оси циклона частица поэтому подвергается тащить, центробежный, и жизнерадостный силы. Учитывая, что скорость жидкости движется по спирали, скорость газа можно разбить на две составляющие скорости: тангенциальную составляющую, ${ displaystyle V_ {t}}$ , и направленная наружу компонента лучевой скорости ${ displaystyle V_ {r}}$ . Предполагая Закон Стокса, сила сопротивления во внешнем радиальном направлении, которая противодействует внешней скорости любой частице во входящем потоке, равна:

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

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

{ 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 находится во внутреннем радиальном направлении. Он находится в направлении, противоположном центробежной силе частицы, потому что он находится в объеме жидкости, который отсутствует по сравнению с окружающей жидкостью. С помощью ${ displaystyle rho _ {f}}$ для плотности жидкости выталкивающая сила равна:

{ 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, ${ displaystyle V_ {p}}$ равна объему частицы (в отличие от скорости). Чтобы определить радиальное движение каждой частицы наружу, нужно установить второй закон движения Ньютона равным сумме этих сил:

{ 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 ${ displaystyle { frac {dV_ {r}} {dt}}}$ равно нулю. Это происходит, когда радиальная скорость вызвала достаточную силу сопротивления для противодействия центробежным силам и силам плавучести. Это упрощение меняет наше уравнение на:

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

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}

Решение для ${ displaystyle V_ {r}}$ у нас есть

{ 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}

С ${ displaystyle V_ {r}}$ расстояние за время, это дифференциальное уравнение 2-го порядка вида ${ displaystyle x '' + c_ {1} x '+ c_ {2} = 0}$ .

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

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

Альтернативные модели

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, так как многие авторы изучили поведение циклонных сепараторов.,^[5] упрощенные модели, позволяющие быстро вычислить циклон с некоторыми ограничениями, были разработаны для общих приложений в обрабатывающих отраслях промышленности.^[6] Численное моделирование с использованием вычислительная гидродинамика также широко использовался при изучении циклонического поведения.^[7]^[8]^[9] Основным ограничением любой модели механики жидкости для циклонных сепараторов является невозможность предсказать агломерация мелких частиц с более крупными частицами, что имеет большое влияние на эффективность улавливания циклона.^[10]

Смотрите также

Примечания

^ «Методы отделения твердых газов - Промышленные пылеуловители - циклон - скрубберы - фильтрация - PowderProcess.net».
^ Jeven Oy. «Как работают циклонные жироуловители». Архивировано из оригинал на 2017-04-21. Получено 2015-10-07.
^ Мартин Хуард, Седрик Бриенс, Франко Беррути, Тьерри Готье, 2010 г., «Обзор методов быстрого разделения газа и твердого вещества», IJCRE, 8, R1.
^ Родс М. (1998). Введение в технологию частиц. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-98483-2.
^ Смит, Дж. Л. мл. (1959). Кандидатская диссертация: Экспериментально-аналитическое исследование вихря в циклонном сепараторе..
^ https://powderprocess.net/Equipments^{[постоянная мертвая ссылка ]} html / Cyclone_Design.html
^ Martignoni, W. P .; Бернардо, S .; Кинтани, К. Л. (2007). «Оценка геометрии циклона и ее влияние на рабочие параметры с помощью вычислительной гидродинамики (CFD)». Бразильский журнал химической инженерии. 24: 83–94. Дои:10.1590 / S0104-66322007000100008.
^ Кандидатская диссертация: О возможностях моделирования крупных вихрей для моделирования циклонных сепараторов (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-07-09. Получено 2009-06-20.
^ Кандидатская диссертация: Сбор капель в увеличенном масштабе вращающегося сепаратора. (PDF).^{[постоянная мертвая ссылка ]}
^ Д. Бенони, К.Л. Брайенс, Т. Барон, Э. Дюшен и Т. Knowlton, 1994, "Процедура определения агломерации частиц в псевдоожиженном слое и ее влияние на унос", Powder Technology, 78, 33-42.

Циклонная сепарация - Cyclonic separation

Содержание

Теория циклонов

Альтернативные модели

Смотрите также

Примечания

Рекомендации