2. Теоретические сведения

Очистка промышленных газовых потоков от взвешенных в них твердых частиц может осуществляться, например, путем осаждения твердых частиц под действием различных сил: тяжести, центробежных, электростатических, акустических и др.

Одним из наиболее простых и широко распространенных способов очистки газовых потоков от находящихся в них твердых частиц является центробежное разделение таких неоднородных систем. В качестве аппаратов - пылеуловителей, в которых можно осуществить этот способ, используют так называемые циклоны различных конструкций.

Процесс разделения неоднородных систем "газ - твердые частицы" под действием центробежных сил обусловливается разностью плотностей газового потока и твердых частиц, находящихся во вращательном движении. Центробежные силы, возникшие при этом, обеспечивают большую эффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящим в поле только сил тяжести. Соотношение этих сил называют фактором разделения:

(1)

где G - сила тяжести, G = mg; Р_Ц - центробежная сила, отбра­сывающая твердую частицу из вращающегося газового потока к стенкам циклона.

(2)

где т - масса твердой частицы, кг;  - окружная скорость частицы (условно принимается равной скорости газового потока во входном патрубке циклона), м/с; R - радиус циклона, м.

Фактор разделения характеризует увеличение разделявшей способности в условиях действия центробежной силы:

(3)

Из уравнения (3) видно, что эффективность разделения возрастает с увеличением скорости газового потока и уменьше­нием радиуса циклона. Однако значительное увеличение скорости связано с резким возрастанием гидравлического сопротивления циклона усилением местных завихрений, срывающих уже осевшие на внутренней поверхности циклона твердые частицы, что приводит к ухудшению очистки газа. Обычно наиболее эффективными являются скорости газа на входе в циклон в интервале 20 - 25 м/с.

Работа циклона оценивается по совокупности его основных характеристик:

1. эффективности разделения (степени очистки или коэффици­ента полезного действия);

2. гидравлическому сопротивлению (достижение высокой сте­пени очистки при малом гидравлическом сопротивлении).

Степень очистка (в %) можно рассчитывать, зная начальную G_H и конечную G_К концентрации твердых частиц в газовом пото­ке, проходящем черев циклон:

(4)

где G_H - массовый расход твердых частиц на входе в циклон, кг/с; G_К - массовый расход твердых частиц на выходе из цикло­на, кг/с; G_ул - массовый расход уловленных твердых частиц, кг/с G_ул = G_Н – G_К.

Степень очистки газового потока зависит от размера и плотности твердых частиц, от плотности и вязкости газового потока, от типа циклона и его геометрических размеров и, конечно, от скорости газового потока на входе в циклон.

На рис. 1 показана принципиальная схема работы циклона конструкции НИИОГАЗа типа ЦН.

Циклон состоит из цилиндроконического корпуса 1; входного патрубка 2 прямоугольного сечения, встроенного по касательной к окружности цилиндрической части корпуса; выхлопной трубы 3, расположенной по оси циклона. Нижний торец конической части корпуса циклона входит в бункер 4, предназначенный для сбора уловленных твердых частиц, выпускное отверстие которого прикрыто клапаном пылевого затвора 5, связанного с рычагом 6. Для непрерывного отвода уловленных твердых частиц служит шнековый транспортер 7.

Р ис. 1 - Принципиальная схема действия циклона:

1 - корпус циклона; 2 - входной патрубок; 3 - выхлопная труба; 4 - бункер-сборник; 5 - кла­пан пылевого затвора; 6 - рычаг клапана; 7 - шнековый транспортер.

Запыленный воздух входит в циклон через тангенциально встроенный патрубок 2 и, приобретая вращательное движение, опускается спиралеобразно вниз вдоль внутренней поверхности стенок цилиндрической и конической частей корпуса аппарата. Вращаясь вначале в кольцевом пространстве, образованном цилиндрической частью корпуса циклона и выхлопной трубой, а затем в зоне, расположенной ниже торца выхлопной трубы, газовый поток образует внешний вращающийся вихрь. При этом развиваются центробежные силы, под воздействием которых твердые частицы, находящиеся в газовом потоке и обладающие значительно большей плотностью, чем газ, отбрасываются к стенкам корпуса циклона. Движение твердых частиц по внутренней поверхности циклона к бункеру 4 обусловлено не только влиянием силы тяжести, но и воздействием силы давления газового потока, направленного вниз. Достигнув нижнего торца конической части корпуса циклона, твердые частицы поступают в бункер 4.

В конической части корпуса циклона газовый поток начинает менять направление и перемещается вверх к выхлопной трубе, образуя внутренний вращающийся вихрь. Освобожденный от основной массы твердых частиц воздушный поток попадает в выхлопную трубу 3 и, поднимаясь по ней винтообразно вверх, удаляется из циклона.

Оптимальное значение скорости газа на входе в аппарат, обеспечивающей высокую степень очистки, определяется в каждом отдельном случае с учетом свойств разделяемых неоднородных систем (например, фракционного состава твердой фазы, слипаемости твердых частиц, допустимого уноса твердых частиц и др.), условий работы циклона и его гидравлического сопротивления.

Общее гидравлическое сопротивление циклона, установленного, как показано на схеме (рис. 1), можно представить как сумму потерь давления на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений, а именно: потеря давления при входе в циклон; потери давления на преодоление сопротивления трения в корпусе циклона; потери давления при переходе газового потока из внешней зоны циклона большого диаметра во внутреннюю зону (в выходную трубу) с поворотом на 180°; потери на преодоление сопротивления трения в выхлопной трубе.

Примечание: В бункере 4 создается несколько большее разрежение, чем на выходе из выхлопной трубы циклона, в связи с чем при наличии даже незначительных подсосов (в случае нарушения герметичнос­ти) струя воздуха, захватывая твердые частицы, выносит их из циклона, что резко снижает степень очистки газового потока.

Выражая общее гидравлическое сопротивление через динамический напор во входном патрубке и заменяя сумму частных коэффициентов гидравлических сопротивлений общим коэффициентом гидравлического сопротивления циклона, получим:

(5)

где  - плотность газовой среды в рабочих условиях, кг/м³;

_вх - скорость газа во входном патрубке, м/с.

Скорость газа во входном патрубке:

(6)

где f_вх - площадь поперечного сечения входного патрубка, м²;

V - расход газа, м³/c.

Секундный расход газа рассчитывается по формуле:

(7)

где V - расход воздуха, поступающего в циклон, м³/c;

 - поправочный коэффициент (0,9 - 0,95);

d₀ - размер диаметра отверстия дроссельной заслонки (принимается равным 1/3 внутреннего диаметра трубопровода),

g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с²;

h - показание дифманометра, мм вод. ст.

При расчете значения общего гидравлического сопротивления циклона чаще его определяют как функцию условной скорости газа _Ц, отнесенной к площади свободного поперечного сечения ци­линдрической части корпуса циклона:

(8)

Условная скорость газа в циклоне _Ц, обеспечивающая высокую степень очистки, лежит в пределах 3 - 3,5 м/с, рассчитывается по уравнению

(9)

где D_Ц - диаметр циклона, м.

Значения коэффициентов _Ц и _Ц^ зависят от конструктивных особенностей циклонов. Например, для некоторых стандартных цик­лонов, разработанных головным предприятием НИИОГАЗа, они имеют следующие значения:

Тип циклона: ЦН-15¹ ЦН-11 НЦ-24

_Ц 3,0 2,7 4,8

_Ц^ 105 280 60

Примечание: Цифры 15, 11 и 24 указывают, под каким углом к горизонтали располагается входной патрубок.

Как было отмечено выше, степень улавливания при всех про­чих одинаковых условиях зависит от скорости газового потока, а следовательно, и от соотношения Р/. Наилучшие условия очистки запыленного газа обеспечиваются, как показывают данные по эксплуатации циклонов, при значениях Р/ в интервале 500 - 750 м²/с². Выше этих значений будет перерасход энергии при практически постоянной степени очистки ; ниже этих значений степень очистки циклона будет заметно снижаться.