Циклоны

Удаление пыли в циклоне осуществляется в результате использования центробежной силы.

Циклоны широко применяются для очистки от пыли вентиляционных и промышленных выбросов в пищевой промышленности. Здесь циклоны являются наиболее распространенным оборудованием для очистки воздуха от пыли. Это объясняется тем, что они имеют многие преимущества – простота устройства, надежность в эксплуатации при сравнительно небольших капитальных и эксплуатационных затратах. Капитальные и эксплуатационные затраты на пылеулавливающие установки, оборудованные циклонными аппаратами, значительно меньше соответствующих расходов для установок с рукавными фильтрами, а тем более электрофильтрами.

Надежность циклонов обусловлена тем, что в их конструкции нет сложного механического оборудования.

Циклоны используют обычно для грубой и средней очистки воздуха от сухой, неслипающейся пыли. Они обладают сравнительно небольшой фракционной эффективностью в области фракций пыли размером менее 10 мкм (60 – 70)% и эффективности порядка 90% и более (до 99%) для более крупной пыли.

Корпус циклона состоит из цилиндрической и конической частей. Принципиальные схемы циклонов представлены на рисунках 4.1 и 4.2.

(а) (б)

1 – корпус циклона; 2 – входной патрубок; 3 – выхлопной патрубок; 4 – пылеулавливающее устройство   Рисунок 4.1 – Принципиальная схема циклона

Рисунок 4.2 – Цилиндрический (а) и конический циклоны (б) НИИОГаза

Газовый поток вводится в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса 2 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 4. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклона пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер, происходит при повороте газового потока в бункер на 180^о. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит из бункера, давая начало вихрю газа, покидающему циклон через выходную трубу 3. Для нормальной работы циклона необходима герметичность бункера. Если бункер негерметичен, то из-за подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу.

Все практические задачи по очистке газов от пыли с успехом решаются цилиндрическими (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и коническими (СК-ЦН-34, Ск-ЦН-34М и СДК-ЦН 33) циклонами НИИОГАЗа (Государственный научно-исследовательский институт по промышленной и санитарной очистке газов).

Конструктивные схемы цилиндрических и конических циклонов НИИОГАЗа показаны на рисунке 4.2. Для циклонов принят следующий ряд внутренних диаметров D, мм: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000.

Для всех циклонов бункеры имеют цилиндрическую форму диаметром D_б, равным 1, 5 D для цилиндрических и 1, 1 – 1, 2 D для конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера составляет 0, 8 D, днище бункера выполняется с углом 60^о между стенками, выходное отверстие бункера имеет диаметр 250 или 500 мм.

Избыточное давление газов, поступающих в циклоны, не должно превышать 2500 Па. Температура газов во избежание конденсации паров жидкости выбирается на 30 – 50 ^оС выше температуры точки росы, а по условиям прочности конструкции – не выше 400^оС. Производительность циклона зависит от его диаметра, увеличиваясь с ростом последнего. Эффективность очистки циклона серии ЦН падает с ростом угла входа в циклон α.

Цилиндрические циклоны НИИОГАЗа предназначены для улавливания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами.

Конические циклоны НИИОГАЗа серии СК, предназначенные для очистки газов от сажи, обладают повышенной эффективностью по сравнению с циклонами типа ЦН, что достигается за счет большего гидравлического сопротивления циклонов серии СК.

Для расчетов циклона НИИОГАЗа необходимы следующие исходные данные: объем очищаемого газа Q, м³/с; плотность газа при рабочих условиях ρ, кг/м³; вязкость газа при рабочей температуре μ, Па·с; дисперсный состав пыли d₅₀ и lg σ _ч; входная концентрация пыли с_вх, г/м³; плотность частиц пыли ρ _ч, кг/м³; требуемая эффективность очистки газа η _тр.

Расчет циклонов ведут методом последовательных приближений в следующем порядке.

1 Задавшись типом циклона, определяют оптимальную скорость газа ω _оп в сечении циклона диаметром D по таблице 4.1:

 

Таблица 4.1 – Оптимальная скорость газа в аппарате

 

Тип циклона	ЦН-24	ЦН-15	ЦН-11	СДК-ЦН-33	СК-ЦН-34
ω оп, м/с	4, 5	3, 5	3, 5	2, 0	1, 7

 

2 Вычисляют диаметр циклона D, м, по формуле

(4.1)

где Q – объем очищаемого газа, м³/с.

 

Полученное значение D округляют до ближайшего типового значения внутреннего диаметра циклона. Типовые циклоны имеют следующие внутренние диаметры D, мм: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000. Если расчетный диаметр циклона превышает его максимально допустимое значение, то необходимо применять два или более параллельно установленных циклона.

 

3 По выбранному диаметру циклона находят действительную скорость движения газа в циклоне ω, м/с:

(4.2)

где n – число циклонов.

 

Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15%.

 

4 Коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона определяют по формуле

ξ =k₁k₂ξ ₅₀₀, (4.3)

где k₁ – поправочный коэффициент на диаметр циклона (таблица 4.2);

k₂ – поправочный коэффициент на запыленность газа (таблица 4.3);

ξ ₅₀₀ – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм. Значение выбирается из таблицы 4.4.

 

 

Таблица 4.2 – Значения поправочный коэффициента k₁ на влияние диаметра циклона

Тип циклона	Значение k1 для D (мм)
				500 и более
ЦН-11 ЦН-15, ЦН-24 СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34	0, 94 0, 85 1, 0	0, 95 0, 90 1, 0	0, 96 0, 93 1, 0	0, 99 1, 0 1, 0	1, 0 1, 0 1, 0

 

Таблица 4.3 – Значения поправочного коэффициента k₂ на запыленность газов (D=500 мм)

 

Тип циклона	Значение k2 при Свх (г/м3)
ЦН-11 ЦН-15 ЦН-24 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34		0, 96 0, 93 0, 95 0, 81 0, 98	0, 94 0, 92 0, 93 0, 785 0, 945	0, 92 0, 91 0, 92 0, 78 0, 93	0, 90 0, 90 0, 90 0, 77 0, 915	0, 87 0, 87 0, 87 0, 76 0, 91	- 0, 86 0, 86 0, 745 0, 90

 

Таблица 4.4 – Коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500мм

 

Тип циклона	Значение ξ 500	Тип циклона	Значение ξ 500
при выхлопе в атмосферу	при выхлопе в гидравли-ческую сеть	при выхлопе в атмосферу	при выхлопе в гидравли-ческую сеть
ЦН-11 ЦН-15 ЦН-24			СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34

 

5 Потери давления в циклоне ∆ Р, Па, вычисляют по формуле

∆ Р=ξ ·ρ ·ω ²/2, (4.4)

где ρ – плотность газа в расчетном сечении аппарата, кг/м³;

ω - скорость газа в расчетном сечении аппарата, м/с;

ξ – коэффициент гидравлического сопротивления.

 

6 Полный коэффициент очистки газа в циклоне (η _р, %) определяется по формуле

η _р=50 [1+Ф(х)], (4.5)

где Ф – табличная функция от параметра х, равного

(4.6)

Значения d^т₅₀ и lg σ _η для каждого типа циклона приведены в таблице 4.5.

 

Таблица 4.5 – Параметры, определяющие эффективность циклонов

 

Тип циклона	ЦН-24	ЦН-15	ЦН-11	СДК-ЦН-33	СК-ЦН-34
dт50, мкм	8, 5	4, 5	3, 65	2, 31	1, 95
lg σ η	0, 308	0, 352	0, 352	0, 364	0, 308

 

Значения d^т₅₀ определены по условиям работы типового циклона: D_т=0, 6м; ρ _чт=1930 кг/м³; µ_т=22, 2·10^-6 Па·с; ω _т=3, 5 м/с. Для учета влияния отклонений условий работы от типовых на величину d₅₀ используют соотношение

 

. (4.7)

 

По значению х, рассчитанному по формуле 4.6, находим параметр Ф по таблице 4.6

 

Таблица 4.6 – Значения функции Ф от параметра х

 

х		0, 2	0, 4	0, 6	0, 8
Ф(х)	0, 5	0, 5793	0, 6554	0, 7257	0, 7881	0, 8413

 

Затем по формуле (4.5) определяют расчетное значение эффективности очистки газа циклоном и сравнивают с требуемым коэффициентом очистки. Если расчетное значение η _р окажется меньше необходимого по условиям допустимого выброса пыли в атмосферу η _тр, то нужно выбрать другой тип циклона с большим значением коэффициента гидравлического сопротивления.