Аппараты сухой механической газоочистки (циклон)

 

Принцип работы циклона

 

Подавляющее большинство промышленных выбросов и сбросов представляют собой дисперсные системы, и основная задача использования процессов и аппаратов защиты окружающей среды заключается в разделении дисперсных систем.

Дисперсная система, как правило, включает две или большее число фаз, разделенных границей раздела фаз. Сплошная фаза называется дисперсионной средой, вторая же, диспергированная в первой – дисперсной фазой. В рамках работы мы рассматриваем процессы и аппараты защиты гидросферы и атмосферы, а значит, будем рассматривать системы, в которых дисперсионной средой являются вода или воздух – суспензии, эмульсии, пены и аэрозоли.

Наличие границы раздела фаз, поверхностной энергии обуславливает возникновение поверхностных явлений – поверхностного натяжения, адсорбции, адгезии, капиллярных явлений, смачивания и возникновения двойного электрического слоя, которые, в свою очередь, обуславливают появление у дисперсных систем особых оптических и молекулярно-кинетических свойств, а у ряда систем – седиментационной и агрегативной устойчивости. Таким образом, при проектировании процессов и аппаратов защиты окружающей среды, предназначенных для разрушения и разделения дисперсных систем, следует учитывать условия, снижающие устойчивость данной конкретной системы.

На жидкость и газы действует ряд сил – силы тяжести, инерции, поверхностного натяжения, упругости, внутреннего трения, а также гидравлическое давление. Соотношение указанных сил и его изменение лежат в основе методов, применяемых для разделения дисперсных систем.

 

Уравнение материального баланса процессов разделения для материальных потоков выражается формулой 1:

 

(1)

где - расход смеси, осадка и очищенной среды соответственно, кг.

 

Уравнение материального баланса процессов разделения по выделяемому компоненту выражается формулой 2:

 

(2)

где  – массовая доля компонента в соответствующем потоке, кг/кг.

 

Циклоны применяют, как правило, для разделения аэрозолей и суспензий. В рамках работы рассматривается применение циклона для очистки газов от пыли, то есть мы имеем дело с аэрозолем – дисперсной системой, где дисперсионная среда – воздух, дисперсная фаза – взвешенные твердые частицы [1,3,11].

Действие циклонов и центрифуг заключается в интенсификации процессов осаждения под действием гравитационных сил за счёт действия инерционных сил. У циклонов это достигается особым расположением входного патрубка, которое обеспечивает тангенциальную подачу газопылевого потока и ведёт к увеличению скорости осаждения согласно формуле 3:

 

(3)

где  – скорость осаждения в поле центробежной силы, м/с;

 – центробежный фактор разделения, безразмерен;

– скорость осаждения в поле гравитационных сил, м/с.

 

На нахождении скорости осаждения под действием гравитационных сил подробнее остановимся при расчёте песколовки. Исходя из формулы, очевидно, что под инерционной силой подразумевается центробежная сила, возникающая в результате тангенциального движения смеси. Центробежный фактор разделения равен соотношению центробежной силы и силы тяжести, для одной и той же частицы – соотношению центробежного ускорения и ускорения свободного падения, согласно формуле 4:

 

(4)

где  – центробежное ускорение, м/с²;

 – ускорение свободного падения, м/с².

 

Выразим центробежное ускорение через окружную скорость движения потока согласно формуле 5:

 

(5)

где  – окружная скорость потока, м/с;

 – радиус аппарата, м.

 

Подстановкой 5 в 4 получим итоговое выражение для определения центробежного фактора разделения, формулу 6:

 

(6)

 

 

Другой важнейшей характеристикой при расчёте аппарата является его гидравлическое сопротивление, определяемое по формуле 7 – формуле Дарси - Вейсбаха:

 

(7)

где  – коэффициент гидравлического сопротивления;

l – длина аппарата, м;

d – диаметр аппарата;

 – плотность смеси, кг/м³;

 – условная скорость потока в аппарате, м/с.

 

Отметим, что коэффициент сопротивления зависит от конструктивных особенностей аппарата и числа аппаратов в батарейных циклонах [1,4].

Основным материалом для изготовления циклонов является нержавеющая сталь марки 06ХН28МДТ. В таблице 1 приведём схемы основных типов аппаратов, их описание будет приведено в дальнейшем в подразделе 1.2 и таблице 2.

 

Таблица 1 – Схемы основных типов циклонов

 

Тип циклона	Схема
Цилиндрический

Продолжение таблицы 1

 

Тип циклона	Схема
Конический
Батарейный

 

Достоинства и недостатки

 

Здесь рассмотрим основные типы циклонов, их конструктивные особенности, достоинства и недостатки.

Циклоны применяются для очистки газов от взвешенных твердых частиц диаметром более 10 микрометров, для очистки от частиц с размерами в интервале 5 – 10 микрометров применяют батарейные циклоны.

Большинство циклонов обладают следующими конструктивными элементами – цилиндрический и конический части корпуса, крышки, входного патрубка, выхлопной трубы и бункера для сбора пыли. В нашей стране принят стандартный ряд внутренний диаметров от 200 до 3000 миллиметров [4,5,6,14].

Основные достоинства циклонов – простота конструкции и, соответственно, относительная простота и дешевизна изготовления; небольшие размеры также снижают расход материала на изготовление аппарата, что опять снижает затраты на изготовления аппарата; стойкость к повышенным температурам и отсутствие подвижных частей увеличивают срок службы аппарата; осаждение частиц в сухом виде существенно упрощает эксплуатацию аппарата ввиду того, что удаляемый осадок не требует дополнительных операций по удалению влаги, сушке осадка.

Основные недостатки циклонов – при наличии абразивных частиц в потоке существенно увеличивается износ внутренних поверхностей; существенны энергетические затраты на привод компрессоров, предназначенных для перемещения потока и создания высоких окружных скоростей порядка 20 метров в секунду, а также преодоления высоких гидравлических сопротивлений порядка 2500 паскаль.

Наиболее распространённые циклоны, их типы и характеристики приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Циклоны, их типы и характеристики

 

Циклон	Тип	Характеристика
ЦН-24	Цилиндрический	Для всех цилиндрических циклонов характерна короткая цилиндрическая часть, входной патрубок под наклоном к горизонтальной плоскости, что направляет поток вниз и снижает гидравлическое сопротивление. В данном циклоне угол наклона равен 24 градусам, сопротивление и эффективность снижаются
ЦН-15	Цилиндрический	В данном циклоне угол наклона равен 15 градусам, сопротивление и эффективность средние для данного типа циклонов

Продолжение таблицы 2

 

Циклон	Тип	Характеристика
ЦН-11	Цилиндрический	В данном циклоне угол наклона равен 11 градусам, сопротивление и эффективность наибольшие для данного типа циклонов
СДК-ЦН-33	Конический	Конические циклоны отличаются от цилиндрических наличием улитки для ввода потока и удлиненной конической частью. Отношение диаметра выходного патрубка к диаметру аппарата 0,33. Средняя эффективность для данного типа
СДК-ЦН-34	Конический	Отношение диаметра выходного патрубка к диаметру аппарата 0,34. Наибольшая эффективность для данного типа
СДК-ЦН-22	Конический	Отношение диаметра выходного патрубка к диаметру аппарата 0,22. Наименьшая эффективность для данного типа
Батарейный	Может состоять как из цилиндрических, так и из конических  циклонов	Циклоны малых диаметров объединены в общий корпус, обладают общим бункером, входным и выходным патрубками, каждый элемент снабжен направляющими лопастями для закручивания потока