Циклоны. Циклонный процесс получил свое название от циклонов - аппаратов для разделения пылей. Позднее начали использовать работающие по тому же принципу аппараты для разделения суспензий - гидроциклоны. Применяют циклонный процесс и для отделения газа от капель жидкости.
Схема циклона показана на рис. 10-5. Циклон состоит из цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2. Запыленный газ вводится в корпус 1 через штуцер тангенциально со скоростью 20-30 м/с. Благодаря тангенциальному вводу он приобретает вращательное движение вокруг трубы для вывода очищенного газа, расположенной по оси аппарата. Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам корпуса. В аппарате создаются два спиральных потока: внешний поток запыленного газа, который движется вниз вдоль поверхности стенок циклона, и внутренний поток очищенного газа, который поднимается вверх, располагаясь вблизи оси аппарата, и удаляется из него. Пыль концентрируется вблизи стенок и переносится потоком в разгрузочный бункер 3.
Степень очистки газа в циклонах тем больше, чем больше фактор разделения Кр. Из выражения (19) видно, что Крможно увеличить либо путем уменьшения радиуса вращения газового потока, либо увеличением его скорости, что сопряжено со значительным возрастанием гидравлического сопротивления и увеличением турбулентности газового потока (которая ухудшает процесс осаждения и способствует перемешиванию очищенного газа с запыленным). В то же время уменьшение радиуса циклона приводит к снижению его производительности. Поэтому при больших расходах запыленного газа вместо одного циклона большого диаметра применяют несколько циклонных элементов меньшего размера, объединенных в одном корпусе. Такие аппараты называют батарейными циклонами (мультициклонами).
На рис. 10-6 показаны батарейный циклон и его элементы. В общем корпусе циклона 1 расположены циклонные элементы 3, герметично закрепленные в трубных решетках 4. Запыленный газ через входной штуцер поступает в газораспределительную камеру 2, а из нее - в циклонные элементы, в кольцевое пространство между корпусом элемента 3 и патрубком для вывода очищенного газа. В этом пространстве размещены лопастные устройства 6, которые придают газовому потоку вращательное движение. Пыль отбрасывается к стенкам, движется вниз по спирали и ссыпается из всех элементов в общий бункер 5. Очищенный газ выходит из элементов по трубам в общую камеру и удаляется из аппарата через верхний штуцер.
Диаметр одиночных циклонов обычно составляет от 40 до 1000 мм, а элементов батарейных циклонов - от 40 до 250 мм.
В промышленности применяют циклоны разнообразных конструкций. Наиболее распространены циклоны НИИОгаза, отличительной особенностью которых является наклонный патрубок прямоугольного сечения, через который газ вводится в циклон. То обстоятельство, что газ получает спиральное направление движения уже при входе в циклон, способствует снижению гидравлического сопротивления аппарата.
Гидроциклоны и мультигидроциклоны аналогичны по устройству циклонам и мультициклонам.
| Рис.10-5 Циклон |
Характеристики ряда циклонов НИИОгаза приведены ниже:
Степень очистки газов от пыли в циклонах составляет для частиц диаметром 5 мкм 30-85%, диаметром 10 мкм - 70 - 95%, диаметром 20 мкм – 95 - 99%. В батарейных циклонах степень очистки газа в несколько меньшей степени зависит от размера частиц: для указанных выше размеров (5, 10 и 20 мкм) она составляет соответственно 65 - 85, 85 - 90, 90 - 95%. Большая степень очистки газов достигается в циклонах с большим гидравлическим сопротивлением.
Аппараты для проведения циклонного процесса характеризуются простотой конструкции, отсутствием движущихся частей, возможностью обработки химически агрессивных сред. Они обеспечивают повышенную степень разделения по сравнению с аппаратами гравитационного осаждения, более компактны.
К недостаткам их относятся сравнительно высокое гидравлическое сопротивление (в циклонах оно составляет 400-700 Па), невысокая степень улавливания частиц размером менее 10 мкм, механическое истирание корпуса аппарата твердыми частицами, чувствительность к колебаниям нагрузки по газу или жидкости. Поэтому аппараты циклонного типа не рекомендуется использовать, если требуется улавливать частицы размером менее 10 мкм и частицы, обладающие сильным абразивным действием.
Расчет циклонов. Теоретический расчет циклонов весьма сложен (по причинам, о которых говорилось выше), поэтому на практике расчеты ведут по упрощенной методике.
Гидравлическое сопротивление циклона можно представить уравнением
(25)
где wц-фиктивная скорость газа в циклоне, получаемая делением объемного расхода газа Q на поперечное сечение цилиндрической части циклона; r - плотность газа; zц - коэффициент сопротивления циклона (постоянный для данного циклона независимо от его диаметра).
Выразим из уравнения (25) отношение Dр/r:
(26)
Из опытов установлено, что величина Dр/rдля каждого типа циклонов имеет оптимальное значение (например, для циклонов, представленных выше, Dр/r= 500 - 750 м2/с2). Выбрав значение этой величины и зная zц, по соотношению (26) можно рассчитать wц.
Далее по уравнению расхода определяют диаметр циклона:
(27)
Для полученного значения диаметра по нормалям находят все остальные размеры. Затем определяют степень очистки газа от пыли по номограммам, составленным на основе опытных данных, в зависимости от фракционного состава пыли, ее плотности, начальной запыленности газа и ряда других факторов. Если найденное значение степени очистки окажется недостаточным, следует сделать пересчет, внеся изменения увеличить отношение Dр/r, тем самым повысив скорость и уменьшив диаметр циклона; выбрать другой тип циклона, с большим zц а значит, более эффективный, или же установить несколько циклонов меньшего диаметра, работающих параллельно. В последнем случае wц остается без изменения, и таким образом удается повысить эффективность циклона без увеличения гидравлического сопротивления. Наиболее правильно выбирать тип циклона и число циклонов на основе минимальных приведенных затрат.