Cyklonová separace - Cyclonic separation

Částečně zbořená továrna s dominujícími cyklónovými separátory

Cyklonová separace je metoda odstraňování částic ze vzduchu, plynu nebo kapaliny bez použití filtrů prostřednictvím vírové separace. Při odstraňování částic z kapaliny se používá hydrocyklon ; zatímco z plynu se používá plynový cyklon. Rotační efekty a gravitace se používají k oddělení směsí pevných látek a tekutin. Metodu lze také použít k oddělení jemných kapiček kapaliny z plynného proudu.

Vysokorychlostní rotační (vzduchový) proud je vytvořen ve válcovém nebo kuželovitém kontejneru nazývaném cyklón. Vzduch proudí spirálovitě , začíná na horním (širokém konci) cyklonu a končí na spodním (úzkém) konci, než cyklon opustí v přímém proudu středem cyklonu a ven z vrcholu. Větší (hustší) částice v rotujícím proudu mají příliš velkou setrvačnost na to, aby sledovaly těsnou křivku proudu, a tak narazily na vnější stěnu, poté spadly na dno cyklónu, kde je lze odstranit. V kuželovém systému, jak se rotující tok pohybuje směrem k úzkému konci cyklónu, se poloměr otáčení proudu zmenšuje, čímž se oddělují menší a menší částice. Geometrie cyklónu spolu s objemovým průtokem definuje bod řezu cyklónu. Toto je velikost částic, které budou odstraněny z proudu s 50% účinností. Částice větší než bod řezu budou odstraněny s větší účinností a menší částice s nižší účinností, protože se oddělí s většími obtížemi nebo mohou být podrobeny opětovnému strhávání, když vzduchový vír obrátí směr, aby se pohyboval ve směru výstupu.

Schéma proudění vzduchu pro cyklon Aerodyne ve standardní svislé poloze. Sekundární proud vzduchu je vstřikován, aby se omezilo oděru stěn.

Schéma proudění vzduchu pro cyklon Aerodyne v horizontální poloze, alternativní provedení. Sekundární proud vzduchu je vstřikován, aby se omezilo oděru stěn a aby se pomohlo přesunout shromážděné částice do násypky pro extrakci.

Alternativní cyklónový design využívá sekundární proudění vzduchu v cyklónu, aby zabránil zachyceným částicím narážet do stěn a chránit je před oděrem. Primární proud vzduchu obsahující částice vstupuje ze dna cyklonu a je stacionárními lopatkovými lopatkami tlačen do spirálové rotace. Sekundární proud vzduchu vstupuje z vrcholu cyklónu a pohybuje se směrem dolů ke dnu, přičemž zachycuje částice z primárního vzduchu. Sekundární proud vzduchu také umožňuje, aby byl kolektor volitelně namontován vodorovně, protože tlačí částice směrem ke sběrné oblasti, a při provádění této funkce nespoléhá pouze na gravitaci.

V pilách se používají velké cyklóny k odstraňování pilin z odsávaného vzduchu. Cyklony se také používají v ropných rafinériích k oddělení olejů a plynů a v cementářském průmyslu jako součásti předehřívačů pecí . Cyklóny jsou stále více používány v domácnosti, jako základní technologie v bezsáčkových typech přenosných vysavačů a centrálních vysavačů . Cyklóny se také používají v průmyslové a profesionální kuchyňské ventilaci k oddělení tuku od odpadního vzduchu v odsávacích digestořích. Menší cyklóny se používají k oddělení částic ve vzduchu pro analýzu. Některé jsou dostatečně malé na to, aby se daly připnout na oděv, a slouží k oddělení respirabilních částic pro pozdější analýzu.

Podobné separátory se používají v průmyslu rafinace ropy (např. Pro fluidní katalytické krakování ) k dosažení rychlého oddělení částic katalyzátoru od reagujících plynů a par.

Analogická zařízení pro separaci částic nebo pevných látek z kapalin se nazývají hydrocyklony nebo hydroklóny. Mohou být použity k oddělení pevného odpadu od vody při čištění odpadních vod a čištění odpadních vod .

Cyklonová teorie

Protože je cyklon v zásadě dvoufázovým systémem částice-kapalina, lze k popisu chování cyklónu použít mechaniku tekutin a rovnice transportu částic. Vzduch v cyklónu je zpočátku přiváděn tangenciálně do cyklonu se vstupní rychlostí . Za předpokladu, že je částice sférická, lze stanovit jednoduchou analýzu pro výpočet kritických separačních velikostí částic. ${\ displaystyle V_ {in}}$

Pokud vezmeme v úvahu izolovanou částici kroužící v horní válcové složce cyklonu v poloměru otáčení od centrální osy cyklonu, částice je proto vystavena tažným , odstředivým a vztlakovým silám. Vzhledem k tomu, že rychlost tekutiny se pohybuje po spirále, lze rychlost plynu rozdělit na dvě složky: tangenciální složku a vnější radiální rychlostní složku . Za předpokladu Stokesova zákona je tažná síla ve vnějším radiálním směru, která je proti vnější rychlosti na jakékoli částici ve vstupním proudu, následující: ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle V_ {t}}$${\ displaystyle V_ {r}}$

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

Použití je hustota částečky odstředivá složka ve vnějším radiálním směru je: ${\ displaystyle \ rho _ {p}}$

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

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

Složka vztlakové síly je v radiálním směru dovnitř. Je v opačném směru než odstředivá síla částice, protože je na objemu tekutiny, který ve srovnání s okolní tekutinou chybí. S použitím hustoty tekutiny je vztlaková síla: ${\ displaystyle \ rho _ {f}}$

${\ Displaystyle F_ {b} =-V_ {p} \ rho _ {f} {\ frac {V_ {t}^{2}} {r}}}$

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

V tomto případě se rovná objemu částice (na rozdíl od rychlosti). Určení vnějšího radiálního pohybu každé částice se zjistí nastavením Newtonova druhého pohybového zákona rovného součtu těchto sil: ${\ displaystyle V_ {p}}$

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

Abychom to zjednodušili, můžeme předpokládat, že uvažovaná částice dosáhla „koncové rychlosti“, tj. Že její zrychlení je nulové. K tomu dochází, když radiální rychlost způsobila dostatečnou tažnou sílu, aby mohla čelit odstředivým a vztlakovým silám. Toto zjednodušení mění naši rovnici na: ${\ displaystyle {\ frac {dV_ {r}} {dt}}}$

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

Který se rozšiřuje na:

${\ Displaystyle -6 \ pi r_ {p} \ mu V_ {r}+{\ frac {4} {3}} \ pi r_ {p}^{3} {\ frac {V_ {t}^{2} } {r}} \ rho _ {p}-{\ frac {4} {3}} \ pi r_ {p}^{3} {\ frac {V_ {t}^{2}} {r}} \ rho _ {f} = 0}$

Řešení pro máme ${\ displaystyle V_ {r}}$

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

Všimněte si, že pokud je hustota tekutiny větší než hustota částice, pohyb je (-), směrem ke středu otáčení, a pokud je částice hustší než tekutina, pohyb je (+), směrem od středu . Ve většině případů se toto řešení používá jako vodítko při navrhování oddělovače, zatímco skutečný výkon se vyhodnocuje a upravuje empiricky.

V nerovnovážných podmínkách, kdy není radiální zrychlení nulové, musí být vyřešena obecná rovnice shora. Přeuspořádáme podmínky, které získáme

${\ Displaystyle {\ frac {dV_ {r}} {dt}}+{\ frac {9} {2}} {\ frac {\ mu} {\ rho _ {p} r_ {p}^{2}} } V_ {r}-\ left (1-{\ frac {\ rho _ {f}} {\ rho _ {p}}} \ right) {\ frac {V_ {t}^{2}} {r} } = 0}$

Protože je vzdálenost za čas, je to diferenciální rovnice 2. řádu ve tvaru . ${\ displaystyle V_ {r}}$${\ displaystyle x ''+c_ {1} x '+c_ {2} = 0}$

Experimentálně se zjistilo, že rychlostní složka rotačního toku je úměrná , proto: ${\ displaystyle r^{2}}$

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

To znamená, že stanovená rychlost posuvu řídí rychlost víru uvnitř cyklónu a rychlost v libovolném poloměru je tedy:

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

Následně, vzhledem k hodnotě pro , případně na základě úhlu vstřikování, a poloměru cutoff, lze odhadnout charakteristický poloměr filtrace částic, nad kterým budou částice odstraněny z proudu plynu. ${\ displaystyle V_ {t}}$

Alternativní modely

Výše uvedené rovnice jsou v mnoha ohledech omezené. Například se nebere v úvahu geometrie separátoru, předpokládá se, že částice dosahují ustáleného stavu a účinek inverze víru na základně cyklónu je rovněž ignorován, přičemž všechna chování, u nichž je nepravděpodobné, že by byla dosažena v cyklonu při skutečné provozní podmínky.

Existuje více kompletních modelů, protože mnoho autorů studovalo chování cyklonových separátorů. Pro běžné aplikace v procesních průmyslových odvětvích byly vyvinuty zjednodušené modely umožňující rychlý výpočet cyklónu s určitými omezeními. Numerické modelování využívající výpočetní dynamiku tekutin bylo také hojně využíváno při studiu cyklonálního chování. Hlavním omezením jakéhokoli modelu mechaniky tekutin pro cyklonové separátory je neschopnost předpovědět aglomeraci jemných částic s většími částicemi, což má velký dopad na účinnost sběru cyklónu.

Viz také

Poznámky

Reference

• Vysoce účinný horizontální sběr prachu
• patent 2377524 (červen 1945). nefunkční odkaz
• alternativní odkaz na citovaný patent