Cyklonová separace - Cyclonic separation - Wikipedia

Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace. Prosím pomozte zlepšit tento článek představuji přesnější citace. (Říjen 2018) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Částečně zbořená továrna s dominujícími cyklonovými separátory

Cyklonová separace je metoda odstranění částice z proudu vzduchu, plynu nebo kapaliny bez použití filtry, přes vír oddělení. Při odstraňování pevných částic z kapaliny, a hydrocyklonu se používá; 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 rotující (vzduchový) proud je vytvořen uvnitř válcového nebo kuželovitý kontejner zvaný cyklon. Vzduch proudí v a spirálovitý vzor, ​​začínající na horním (širokém konci) cyklónu a končící na spodním (úzkém) konci před opuštěním cyklónu v přímém proudu středem cyklónu a nahoře. Větší (hustší) částice v rotujícím proudu mají příliš velkou setrvačnost, aby sledovaly těsnou křivku proudu, a tak zasáhly vnější stěnu a poté spadly na dno cyklónu, kde je lze odstranit. V kónickém systému, když se rotující tok pohybuje směrem k úzkému konci cyklónu, se zmenšuje poloměr otáčení proudu, čímž se oddělují menší a menší částice. Cyklónová geometrie spolu s objemový průtok, definuje bod řezu cyklónu. Jedná se o velikost částic, které budou odstraněny z proudu s 50% účinností. Částice větší než bod řezu budou odstraněny s vyšší účinností a menší částice s nižší účinností, protože se oddělí s většími obtížemi nebo mohou být znovu zachyceny, když vzduchový vír obrátí směr a pohybuje se ve směru výstupu.^[1]

Schéma proudění vzduchu pro Aerodyne cyklon ve standardní vertikální poloze. Proud sekundárního vzduchu je vstřikován, aby se snížilo otěru stěny.

Schéma proudění vzduchu pro Aerodyne cyklon ve vodorovné poloze, alternativní design. Proud sekundárního vzduchu je vstřikován, aby se snížilo otěru stěny a pomohlo přesunout shromážděné částice do násypky k extrakci.

Alternativní cyklónový design využívá sekundární proudění vzduchu v cyklónu, aby zabránil tomu, aby shromážděné částice narážely na stěny, aby je chránily před otěrem. Proud primárního vzduchu obsahující částice vstupuje ze dna cyklónu a je stáčen rotačními lopatkami k rotaci spirály. Proud sekundárního vzduchu vstupuje z horní části cyklónu a pohybuje se dolů směrem dolů, zachycuje částice z primárního vzduchu. Proud sekundárního vzduchu také umožňuje volitelně namontovat sběrač vodorovně, protože tlačí částice směrem do sběrné oblasti a při provádění této funkce se nespoléhá pouze na gravitaci.

Velké cyklóny se používají v pily odebrat piliny z odsávaného vzduchu. Cyklóny se také používají v ropné rafinerie k separaci olejů a plynů a v cement průmysl jako součásti pec předehřívače. Cyklóny se v domácnosti stále častěji používají jako základní technologie přenosných bez sáčků vysavače a centrální vysavače. Cyklóny se používají také v průmyslu a profesionálech kuchyňské větrání pro oddělení tuku od odpadního vzduchu v digestořích.^[2] Menší cyklóny se používají k oddělení vzdušných částic pro analýzu. Některé jsou dostatečně malé, aby se daly nosit připnuté k oděvu, a používají se k oddělení dýchatelných částic pro pozdější analýzu.

Podobné oddělovače se používají v čištění ropy průmysl (např. pro Fluidní katalytické krakování ) k dosažení rychlé separace částic katalyzátoru od reagujících plynů a par.^[3]

Analogická zařízení pro oddělování částic nebo pevných látek z kapalin se nazývají hydrocyklony nebo hydroklony. Mohou být použity k oddělení pevného odpadu od vody v odpadní voda a čištění odpadních vod.

Cyklonová teorie

Jelikož cyklon je v podstatě dvoufázový systém částic a kapalin, mechanika tekutin a rovnice transportu částic lze použít k popisu chování cyklónu. Vzduch v cyklónu je zpočátku přiváděn tangenciálně do cyklónu vstupní rychlostí ${ displaystyle V_ {in}}$. Za předpokladu, že částice je sférická, lze provést jednoduchou analýzu pro výpočet kritické velikosti částic.

Pokud vezmeme v úvahu izolovanou částici kroužící v horní válcové složce cyklónu v poloměru otáčení ${ displaystyle r}$ z centrální osy cyklónu je tedy částice vystavena táhnout, odstředivý, a vztlak síly. Vzhledem k tomu, že se rychlost kapaliny pohybuje ve spirále, lze rychlost plynu rozdělit na dvě složky rychlostí: tangenciální složku, ${ displaystyle V_ {t}}$, a vnější radiální složka rychlosti ${ displaystyle V_ {r}}$. Za předpokladu Stokesův zákon, tažná síla ve vnějším radiálním směru, která je v protikladu vnější rychlosti na jakékoli částice ve vstupním proudu, je:

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

Použitím ${ displaystyle rho _ {p}}$ jako hustota částice je odstředivá složka ve vnějším radiálním směru:

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

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

Složka vztlakové síly je v radiálním směru dovnitř. Je to v opačném směru k odstředivé síle částice, protože je na objemu tekutiny, který chybí ve srovnání s okolní tekutinou. Použitím ${ displaystyle rho _ {f}}$ pro hustotu kapaliny je vztlaková síla:

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

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

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

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

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

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

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 ${ displaystyle V_ {r}}$ my máme

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

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

V nerovnovážných podmínkách, kdy radiální zrychlení není nula, je třeba vyřešit obecnou rovnici shora. Přeskupujeme podmínky, které získáváme

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

Od té doby ${ displaystyle V_ {r}}$ je vzdálenost za čas, jedná se o diferenciální rovnici 2. řádu formy ${ displaystyle x '' + c_ {1} x '+ c_ {2} = 0}$.

Experimentálně bylo zjištěno, že složka rychlosti rotačního toku je úměrná ${ displaystyle r ^ {2}}$,^[4] proto:

${ displaystyle V_ {t} propto r ^ {2}.}$

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 byla zadána hodnota pro ${ displaystyle V_ {t}}$, pravděpodobně na základě úhlu vstřikování a poloměru meze, lze odhadnout charakteristický poloměr filtrování částic, nad kterým budou částice odstraněny z proudu plynu.

Alternativní modely

Výše uvedené rovnice jsou v mnoha ohledech omezené. Například se neuvažuje o geometrii oddělovače, předpokládá se, že částice dosáhnou ustáleného stavu a účinek inverze víru na základně cyklónu je také ignorován, všechna chování, kterých je nepravděpodobné dosáhnout v cyklónu při skutečné provozní podmínky.

Existují úplnější modely, protože mnoho autorů studovalo chování cyklónových odlučovačů.,^[5] pro běžné aplikace v procesním průmyslu byly vyvinuty zjednodušené modely umožňující rychlý výpočet cyklónu s určitými omezeními.^[6] Numerické modelování pomocí výpočetní dynamika tekutin se také hojně používá při studiu cyklonového chování.^[7][8][9] Hlavním omezením jakéhokoli modelu mechaniky tekutin pro cyklónové odlučovače je neschopnost předpovědět aglomerace jemných částic s většími částicemi, což má velký dopad na účinnost sběru cyklónu.^[10]

Viz také

Poznámky

Reference

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