Сухая очистка при помощи циклонных осадителей.
ЦИКЛОННЫЕ ОСАДИТЕЛИ
Источник:
Справочник "Защита атмосферы от промышленных загрязнений"
под редакцией С. Калверта и Г. М. Инглунда (часть 1)
изд. "Металлургия" г. Москва 1988г.
Использование центробежной силы
Частица массой m, двигающаяся по круговой траектории радиуса r с тангенциальной скоростью Ut, подвержена действию центробежной силы mv^2t/r. Для типичных условий Ut= 15 м/с, г = 0,6 м эта сила примерно в 39 раз превышает силу тяжести. Поэтому указанная сила может резко увеличить осаждение в камере. На практике система улавливания частиц создается путем придания запыленному потоку закрученного или вращательного движения, ограниченного цилиндрическими стенками. Частицы осаждаются при отбрасывании на стенки. Такое устройство называется циклоном. Фракционная эффективность улавливания его может составлять >80 % даже для частиц диаметром 10 мкм.
Типы циклонов
Существуют циклоны двух основных типов с тангенциальным входом и с осевым входом. На рис. показана геометрия циклона обычного типа с тангенциальным входом и противотоком. Такой циклон устанавливается вертикально.
Частицы, отброшенные на стенки, скапливаются, соскальзывая в бункер, В своем вихреобразном движении газ изменяет направление вращения в нижней части конуса и послеочистки покидает циклон через канал De,.
В циклонах с осевым входом газ поступает через центральный штуцер вблизи одного из оснований цилиндра. Он обтекает лопасти, которые сообщают потоку вращательное движение. Уловленные частицы выносятся периферическим потоком, а чистый газ выходит в центре противоположного основания цилиндра. Имеется ряд авторских разработок, представляющих собой вариации основной схемы.
Циклоны изготовляют из обычной углеродистой стали, однако если необходимо обеспечить работу при высоких температурах, в агрессивной атмосфере или улавливать абразивные частицы, можно использовать любой другой металл или керамический материал, Важно, чтобы внутренние поверхности были гладкими. Устройство не содержит движущихся частей, поэтому его эксплуатация проста и относительно легка в обслуживании.
Как видно из рис, геометрия циклона
с тангенциальным входом определяется восемью размерами. Семь
относительных параметров
( и т. д. )
определяют конфигурацию и один параметр, в качестве которого выбирают D, определяет размер. В табл. 1 приведены варианты сочетаний параметров для ряда стандартных конструкций, оказавшихся практичными и эффективными.
Геометрические параметры конструкции циклона с тангенциальным входом:
Конструктор может выбрать другие варианты геометрии, но при этом следует иметь в виду следующие полезные указания:
- 1. Необходимо выбрать
, чтобы предотвратить «короткое замыкание» входящего потока на выходную
трубу. - 2. Во избежание избыточного
перепада давления необходимо обеспечить условие
- 3. Для удержания кончика вихря в пределах конуса
необходимо
- 4. Для успешного соскальзывания пыли угол конуса должен
составлять 7- 8°
- 5. Максимальная эффективность обеспечивается, когда
Батарейные циклоны (мультициклоны)
Два и более циклонов одних размеров и одной геометрии можно использовать параллельно, причем поток разделяется между ними. В этом случае диаметр каждого циклона D будет меньше, чем циклона, рассчитанного на весь поток. Эффективность улавливания каждого из этих циклонов одинакова и выше той, которую имел бы один большой циклон. Комбинация большого числа маленьких циклонов называется мультициклоном. Однако может быть сложно обеспечить равномерное распределение газового потока между параллельными циклонами в системе, особенно если пыль из них ссыпается в общий бункер. Можно также располагать два-три циклона последовательно, подавая поток с выхода первого на вход второго и т. д. В этом случае размер циклонов последовательно уменьшают по потоку для повышения эффективности улавливания более мелких частиц, поступающих с вышерасположенных циклонов. Уловленный на каждой ступени продукт имеет при этом различное распределение частиц по размерам. Такая система может быть использована для разделения поступающей на улавливание пыли на две-три фракции.
Проектирование циклонов
При проектировании циклона выбирают его геометрию, затем определяют размер, фракционную эффективность, перепад давления и потребную для каждого циклона мощность. Эти расчеты основываются на заданных скорости потока газа, составе, температуре, давлении, концентрации пыли, а также на данных о дисперсном составе пыли. Эти данные необходимы, чтобы сформулировать требования к устройству для вторичного улавливания пыли, если таковое предполагается использовать.
Траектория частицы во вращающемся газе
Метод проектирования должен быть основан на знании пути, по которому движется частица в осадителе. Траектория частицы определяется действием центробежной силы на частицу, увлекаемую закрученным потоком газа. Тангенциальная скорость газа на линиях тока зависит от радиуса вращения по обратному степенному закону (вихревому закону):
Как установлено экспериментально, n можно найти с помощью соотношения:
Где D - диаметр циклона, м; T- абсолютная температура газа, K.
Форма траектории обычно хорошо описывается выражением:
Где t - время, которое требуется частице, первоначально находящейся на
расстоянии R1 от оси для того, чтобы достичь координаты R.
Оно получается из уравнения заменой gm на центробежную силу,
предполагая, что радиальная составляющая силы сопротивления подчиняется
закону Стокса, и , принимая, что радальная скорость смещения
постоянная, т. е. что
Оба этих допущения могут привести к ошибке для слишком малых времён. Уравнение рассматривает только горизонтальное движение. Вертикальное движение определяется стационарной скоростью оседания.
Размеры циклонов
Размеры циклона определяются выбором геометрических соотношений (см. табл.), а также значением требуемой скорости на выходе циклона. Чтобы обеспечить высокую эффективность улавливания, скорость на входе должна быть по возможности большой, но не вызывать отскока или уноса осажденных частиц и не превышать значения, при котором начинаются пульсации расхода. Это предельное значение можно оценить с помощью выражения Калена и Ценца
Это эмпирическое соотношение, в котором использованы единицы системы СИ. Для частиц, имеющих плотность в интервале 1 — 2,5 т/м^3, общепринятого диапазона скоростей в типичных циклонах 15 — 30 м/с и значения Кь = 0,2 это выражение дает рабочие значения Ut1. Для данной объемйой скорости газа Q и выбранной скорости на входе размеры циклона определяются геометрическими отношениями
И т. д.
Общая и фракционная эффективность
Общая эффективность улавливания Е может быть рассчитана с помощью уравнения:
, которое требует знания фракционной эффективности улавливания Е в функции размера. Ее позволяет определять модель Лайтха и Лихта (Leith, D., and Liht, W., AIChE Sympos. Ser. 68(126), 196(1972)).
Эта модель использует уравнение в сочетании с концепцией радиального противоточного перемешивания неосажденных частиц, а также определение времени улавливания.
Результирующее уравнение имеет вид:
50%-ный диаметр отсекания можно найти с помощью выражения:
Это эквивалентно утверждению, что для
циклона Еg зависит от числа Стокса и параметра геометрии циклона К.
Геометрический параметр рассчитывается на основании только отношений
размеров и не зависит от абсолютного размера циклона. Его значения для
различных стандартных конструкций даны в табл."Геометрические параметры конструкции
циклона с тангенциальным входом"
Метод расчета для циклонов другой
геометрии описан Лихтом (Licht, W, Air Pollution Control Engineering,
Dekker, New York, 1980, p.243.).
Эта модель пригодна для циклонов обычных
размеров, скажем, с D> 0,2 м. Модель неприменима для очень маленьких
циклонов, таких как используемые для забора проб респирабельной пыли, а
также при работе в условиях высоких давлений. Имеются некоторые
указания, что Еg зависит и от числа Рейнольдса циклона, а не только от
числа Стокса, входящего в М.
Эта модель дает осторожную оценку для
рабочих характеристик, например, которые могут быть получены для сильно
разбавленных систем, т. е. при низкой запылённости, скажем, менее 10
кг/m^3. На основании ограниченных доступных данных можно ожидать, что
эффективность улавливания возрастает с увеличением запылённостию Это
улучшение можно грубо оценить по соотношению:
Для заданных рабочих условий и геометрии величину Еg можно рассчитать по уравнению, а затем вместе с данными о функции распределения по размерам пыли на входе использовать для расчетов Е по уравнению общей эффективности улавливания. Обычно это делают графически, как показано на рис.
Когда распределение частиц по
размерам подчиняется логарифмической нормальному закону, интегрирование
можно выполнить численно. Опубликованы таблицы ( Leith, D., Handbook of
Pollution Abatement Engineering, Humana Press, Clifton, NJ, 1978.),
дающие значение Е в функции N, dp5G , среднего
медианного диаметра и стандартного отклонения распределения по
размерам.
Количество неуловленной пыли и ее
распределение по размерам можно найти с помощью соотношения
материального баланса, используя значения Еg и Е, полученные выше. Если
выброс неприемлемо высок, то может потребоваться повторение расчетов на
основе других предположений об условиях и геометрии. При использовании
двух и более циклонов с параллельным или последовательным включением
каждый циклон следует рассматривать отдельно.
Перепад давления и потребный расход энергии
Перепад давления на циклоне можно расчитать по методу Шеферда и Лэпа ( Shepherd, G. B., and Lapple, G. E., Ind. Eng. Chem. 31, 972 (1939)).
здесь
Величина NH зависит от геометрии и может быть оценена как:
Более сложные уравнения для NH имеются в литературе Strauss, W., Industrial Gas Cleaning, 3rd edition, Pergamon Press, Oxford, 1975, p. 263., но они не лучше приведённого выше уравнения числа струй на входе циклона для сухой очистки газов.
Приемлемый уровень ∆P
при работе циклона обычно не превышает 2 кПА.
Количество энергии, которое надо
сообщить газовому потоку с помощью вентилятора, даётся выражением:
Мощность=9,81Q ∆P,
где Q -- объёмная скорость, м³/с
; ∆P
-- перепада давленияб Па.
Оптимизация проектирования
Для оптимизации конструкции необходимо иметь критерий, который был бы пропорционален отношению доходов и расходов для циклона данной геометрии. «Доход», или осуществление улавливания, можно принять пропорциональным геометрическому параметру К, использованному в уравнении и данному в таблице геометрических параметров конструкции циклона с тангенциальным входом. Отметим, что он обратно пропорционален диаметру отсекания. Стоимость в основном складывается из двух статей: во-первых, начальной стоимости конструкции, которая пропорциональна суммарной площади использованных конструкционных материалов и, во-вторых, стоимости эксплуатации, которая пропорциональна расходу энергии. Расход энергии также отражает начальную стоимость системы подачи газа. Полезный параметр оптимизации (ПО) можно поэтому определить следующим образом:
ПО ~ К/общая поверхность * мощность.
Общую поверхность можно рассчитать, используя выражение (πD² Пов), где «Пов» является функцией только геометрии. Значения этого параметра для циклонов стандартной геометрии приведены в таблице, а методы его расчета для других конфигураций описаны Лихтом ( Licht, W., loc. cit., p. 250.). Мощность рассчитывают путем сочетания уравнений перепада давления и количества энергии газового потока. Для данного набора рабочих параметров получаем:
Здесь опущены постоянные множители.
Произведение
, можно заменить на
В результате получаем: 
Для данной объемной скорости течения ПО зависит только от геометрических параметров К, Кa Кb, NH и Пов. Используя их значения, приведенные в таблице. получаем следующие величины ПО:
| Циклон
Стайрманда |
2,35 |
| Циклон
Свифта (высокой эффективности) |
1,96 |
| Циклон
Свифта (общий тип) |
1,64 |
| Циклон
Лэппла |
1,66 |
| Циклон
Петерсона-Уитби |
1,67 |
Работа циклона
Общую эффективность работающего циклона можно легко определить путем следующих измерений:
- 1. Взвесить общее количество уловленной пыли за известный
период времени, выразить в килограммах в секунду.
- 2. Измерить запыленность входного потока в килограммах на 1
м³
.
- 3. Определить скорость течения, в кубических метрах в
секунду.
Запыленность лучше всего определять, изокинетически отбирая взвешенные частицы на фильтр и измеряя скорость течения через фильтр. Объемную скорость течения можно определить с помощью трубки Пито, помещенной в ту же точку, что и пробоотборник. Следует принимать меры предосторожности при выборе точки отбора, которую следует располагать в прямой части канала на расстоянии 8 — 10 диаметров канала от любого изгиба ниже или выше по потоку во избежание возмущения поля течения.
Фракционную эффективность определять труднее. Помимо требований, перечисленных выше, необходим изокинетический отбор до и после потока циклона и определение распределений частиц по размерам. Это лучше всего осуществить прямым отбором потока на каскадный импактор, имеющий не менее шести ступеней. Оба пробоотбора следует производить по возможности одновременно. Менее желательной альтернативой является отбор проб частиц в двух точках на фильтр, перенос фильтров в лабораторию для дисперсного анализа с помощью счетчиков Колтера или Бахко. Необходимо с осторожностью выбирать точку пробоотбора за циклоном, избегая возмущающего воздействия завихренности, сохраняющейся после циклона. В случае необходимости следует устанавливать спрямляющие лопасти в выходном канале перед точкой пробоотбора.
Опыт показывает, что измеренные значения общей эффективности согласуются с полученными расчетом при проектировании циклона. Похоже, что фракционная эффективность не будет находиться в таком хорошем согласии с расчетом из-за больших сложностей пробоотбора и дисперсного анализа. Во всяком случае до начала проектирования необходимо измерить дисперсный состав пыли, подлежащей улавливанию.
Смотрите также:
Участок
ремонта гидравлических гасителей колебаний.
Стенд
разборки гидрогасителей колебаний пассажирских вагонов и электропоездов.
Стенд
сборки
гидравлических гасителей колебаний пассажирских вагонов и
электропоездов.
Установка сухой
абразивной очистки колёсных пар Ж. Д. подвижного состава.
