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Introduzione
La separazione ciclonica è un metodo per separare diverse fasi liquide (diverse densità liquide) o per separare particelle da un flusso di gas. I separatori a ciclone sono spesso utilizzati come fase di pre-pulizia prima che un gas o un liquido venga scaricato. Questo articolo si concentra sul separatore a ciclone per gas.
Separatori a Ciclone
Cosa c'è in un Nome?
Un separatore a ciclone ha diversi nomi colloquiali. Questi nomi includono ‘separatore di polveri’, ‘collettore di polveri’, ‘estrattore di polveri’, ‘estrattore a ciclone’ e ‘separatore a ciclone’. Generalmente, le unità più piccole sono chiamate ‘separatori’ o ‘estrattori’ di polveri, mentre i separatori industriali su larga scala sono chiamati ‘separatori a ciclone’.
Ciclone per Gas e Idrociclone
Esistono due principali design di separatore a ciclone: il ciclone per gas e l'idrociclone.
I cicloni per gas sono utilizzati per rimuovere le particelle intrappolate da un flusso di gas.
Installazione Tipica di Ciclone per Gas
Gli idrocicloni sono utilizzati per separare fluidi di diverse densità.
I separatori a ciclone possono essere installati come unità singole o in multipli, noti come multi-cicloni. È anche possibile installare cicloni in serie o in parallelo.
I separatori possono essere installati con un orientamento orizzontale o verticale.
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Separatori a Ciclone per Gas
I separatori a ciclone per gas sono classificati in due categorie principali: flusso inverso e flusso assiale.
I separatori a ciclone a flusso inverso hanno forma conica. Il gas entra nella parte superiore del corpo del separatore, scorre verso il basso, poi risale e viene scaricato.
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Separatore a Ciclone per Gas a Flusso Inverso
Esistono vari design di separatori a ciclone a flusso inverso. Di seguito è riportata un'altra variazione del ciclone a flusso inverso.
Separatore a Ciclone a Flusso Inverso con Generatore di Turbini
Per i separatori a ciclone a flusso assiale (alias flusso diretto), il gas entra da un'estremità e viene scaricato dall'estremità opposta. I separatori a flusso assiale non sono così comuni come i separatori a flusso inverso.
Ciclone a Flusso Assiale
Efficienza
Questo articolo si concentrerà sul separatore a ciclone per gas a flusso inverso, poiché questo tipo di separatore è il più comune in uso oggi. Faremo riferimento al termine efficienza di raccolta, o semplicemente ‘efficienza’ durante l'articolo. L'efficienza di raccolta -nota anche come tasso di cattura o tasso di recupero- è una misura della capacità di un ciclone di separare le particelle dal flusso di gas. Poiché le particelle hanno dimensioni diverse, la valutazione dell'efficienza viene solitamente fornita per dimensioni di particelle variabili.
Punto di Taglio
Il tasso di flusso volumetrico e la geometria del separatore a ciclone definiscono il punto di taglio. Il punto di taglio è il punto in cui le particelle vengono rimosse dal flusso di gas con un'efficienza del 50%. Questa misura è una misura standard del settore e può solitamente essere ottenuta dal produttore originale dell'attrezzatura (OEM).
Componenti e Design
Un separatore a ciclone a flusso inverso è un assemblaggio industriale senza parti mobili e con un design semplice.
La parte cilindrica principale del separatore a ciclone è conosciuta come corpo o barile. La sezione conica che si restringe gradualmente è conosciuta come cono.
Il gas non trattato entra tangenzialmente attraverso l'ingresso sul lato del separatore. Le particelle intrappolate all'interno del flusso di gas vengono separate dal flusso di gas e scaricate attraverso il portello di scarto alla base del separatore. Il gas pulito esce attraverso il portello di accettazione nella parte superiore del separatore.
Separatore a Ciclone con Etichette
Come Funzionano i Separatori a Ciclone
Il video qui sotto è un estratto dal nostro
Il gas contenente particelle intrappolate entra ad alta velocità attraverso l'ingresso tangenziale nella parte superiore del ciclone. Il gas fluisce nel corpo/barile del ciclone in modo tangenziale e inizia a fluire in una spirale circolare verso il basso verso il portello di scarto inferiore; questa spirale discendente è chiamata vortice a spirale.
Linea Tangente (mostrata in rosso)
Il diametro del cono diminuisce gradualmente, il che causa un aumento della velocità del gas. Il vortice esterno crea un ulteriore vortice interno più vicino al centro del corpo del separatore e questo vortice interno fluisce a spirale verso l'alto verso il portello di accettazione.
Vortice Interno (blu) e Vortice Esterno (nero)
Le particelle con maggiore inerzia impatteranno con il lato del ciclone mentre le particelle con minore inerzia rimarranno all'interno del flusso di gas. L'inerzia può essere considerata come la capacità di una particella di continuare a viaggiare in linea retta anche quando vengono applicate forze esterne. Quando viene applicata una forza esterna -come dal vortice ciclonico- le particelle con bassa inerzia non continueranno a viaggiare in linea retta, ma viaggeranno invece a spirale mentre vengono trascinate dal flusso di gas.
Particelle di Gas a Bassa Inerzia Intrappolate
Le particelle con maggiore inerzia saranno meno influenzate dal vortice e continueranno a viaggiare in linea retta. Questa traiettoria in linea retta causa il movimento delle particelle ad alta inerzia fuori dal flusso di gas e l'impatto con il corpo del separatore a ciclone. Queste particelle poi cadono alla base del separatore a ciclone e fuori dal portello di scarto. In questo modo, le particelle intrappolate di una certa dimensione possono essere separate dal flusso di gas.
Particelle di Gas ad Alta Inerzia Intrappolate
Un altro modo di pensare a questo processo è immaginare particelle di maggiore densità che collidono con il corpo del ciclone mentre particelle meno dense vengono trattenute all'interno del flusso di gas. Questo non è strettamente vero poiché sia la densità che la forma della particella influenzeranno la sua capacità di essere separata dal flusso di gas.
Le particelle scaricate attraverso il portello di scarto sono solitamente riciclate (fuori o in loco), o smaltite.
Nota di Fisica
È un malinteso comune che la forza centrifuga sia la forza che separa le particelle dal flusso di gas, ma è la forza centripeta che causa la collisione delle particelle con il corpo del separatore.
L'equazione seguente è utilizzata per calcolare la forza centripeta basata sulla velocità dell'aria (v), dimensione delle particelle (m) e distanza radiale (r) dal muro del ciclone.
F =(mv2)/r
Dove: v = velocità dell'aria
m = dimensione delle particelle
r = distanza radiale
Le forze centripete generate all'interno del separatore possono essere ovunque tra cinque volte la gravità per separatori a basso calo di pressione di grande diametro, fino a 2.500 volte la gravità per separatori di diametro molto piccolo ad alto calo di pressione.
Fattori che Influenzano l'Efficienza
Ci sono diversi fattori che possono influenzare l'efficienza di un separatore a ciclone. Questi includono densità delle particelle, dimensione delle particelle, tasso di flusso volumetrico, calo di pressione, lunghezza del cono, lunghezza del corpo, rapporto tra il diametro del portello di accettazione e il diametro del corpo, e persino la levigatezza delle superfici interne del ciclone. Discuteremo ora gli aspetti di design più importanti in maggiore dettaglio.
La densità delle particelle è uno dei fattori più decisivi che influenzano la capacità di un ciclone di rimuovere le particelle intrappolate. Particolati densi come gli ossidi ferrosi possono essere separati con un'efficienza del 99% o superiore, indipendentemente dalla dimensione delle particelle. Quando la densità delle particelle diminuisce, l'efficienza diminuisce (supponendo che non si verifichino altri cambiamenti nel sistema).
La dimensione delle particelle è una grande considerazione di design che influenza l'efficienza di un separatore. Le particelle più grandi possono essere più facilmente separate rispetto alle particelle più piccole. Le particelle più piccole di cinque micron sono difficili da separare senza utilizzare separatori molto piccoli. Le particelle superiori a 200 micron possono spesso essere separate utilizzando altri mezzi come le camere di sedimentazione per gravità. Una riduzione della dimensione delle particelle darà una corrispondente riduzione dell'efficienza.
La geometria di un separatore influisce notevolmente sull'efficienza dell'unità. Un separatore a ciclone di diametro maggiore non sarà in grado di separare le particelle con la stessa efficienza di un separatore di diametro minore. L'efficienza del separatore aumenta man mano che il diametro del cono diminuisce. Pertanto, ridurre il diametro del cono consente la rimozione di particelle sempre più fini. Un cono di piccolo diametro estrarrà particelle molto più fini da un flusso di gas rispetto a un cono di diametro maggiore.
Tutti i separatori a ciclone hanno un calo di pressione associato. Il calo di pressione può essere considerato come la quantità di energia necessaria per muovere il gas attraverso il separatore, alternativamente, può essere considerato come la quantità di resistenza che il separatore a ciclone aggiunge al flusso del sistema. Il calo di pressione è un prodotto del tasso di flusso del gas, della densità del gas e della geometria del ciclone. Il calo di pressione può essere espresso come:
DR = Ra Ingresso - Ra Uscita
Dove:
DR = Calo di Pressione del Ciclone
Ra = Pressione Assoluta
Un altro modo per aumentare l'efficienza di un separatore è ridurre il diametro del portello di accettazione. Questo cambia il rapporto tra il corpo del separatore e il diametro del portello di accettazione e ha l'effetto di permettere solo alle particelle più fini di lasciare il separatore attraverso il portello di accettazione.
Separatore Grande o Piccolo?
I piccoli separatori a ciclone hanno un indice di efficienza più alto, ma il calo di pressione associato è elevato e il tasso di flusso volumetrico è basso. La velocità del gas attraverso i piccoli separatori è anche molto alta e questo porterà a un alto livello di erosione se il flusso di gas contiene particelle abrasive.
I grandi separatori a ciclone hanno un indice di efficienza più basso, ma il calo di pressione associato è basso e il tasso di flusso volumetrico è alto. Un separatore di grande diametro non è adatto per rimuovere particelle fini da un flusso di gas.
Vantaggi e Svantaggi
Ci sono molti vantaggi associati ai separatori a ciclone, alcuni di questi includono:
- Economici da acquistare.
- Bassa manutenzione.
- Adatti per alte temperature.
- Adatti per nebbie liquide.
- Non richiedono molto spazio.
Alcuni svantaggi sono associati ai separatori a ciclone, ma questi svantaggi possono essere ridotti in gravità se il separatore corretto viene selezionato per l'applicazione corretta. Gli svantaggi possono includere:
- Aumento dei costi operativi associati al calo di pressione (supponendo un grande calo di pressione).
- Inefficiente nella gestione di particelle piccole/fini.
- Non adatto per sostanze ‘appiccicose’.
Selezione dei Materiali
La selezione dei materiali è una considerazione molto importante quando si sceglie un separatore per un'applicazione specifica. Alcuni sistemi di processo possono contenere mezzi di flusso erosivi o corrosivi, quindi è necessario aggiungere uno strato di protezione alle superfici interne del ciclone.
Materiali adatti per proteggere il separatore all'interno di sistemi erosivi potrebbero includere materiali come la ceramica o una qualche forma di smalto. I separatori che operano all'interno di sistemi corrosivi possono avere una qualche forma di rivestimento in smalto o materiale a base di polimeri per proteggere il corpo metallico del ciclone sottostante.
Applicazioni
I separatori a ciclone sono utilizzati in molte applicazioni grazie al loro basso costo, design semplice ed alta efficienza. I separatori a ciclone non richiedono sacchetti o filtri e richiedono solo bassa manutenzione.
Filtri Sporchi
Un'applicazione tipica includerebbe una segheria. Le segherie generano molta polvere che deve essere estratta dalla segheria. La polvere viene aspirata nel sistema di estrazione principale da una pressione negativa creata da un ventilatore -solitamente un ventilatore centrifugo-. L'aria carica di polvere passa quindi attraverso un separatore a ciclone dove la maggior parte della polvere di legno viene separata dal flusso d'aria; l'aria pulita viene quindi scaricata direttamente nell'aria ambiente mentre la polvere di legno viene riciclata o smaltita.
Configurazione del Separatore a Ciclone in una Segheria
Un'altra applicazione comune è l'aspirapolvere domestico. Un motore elettrico aziona un ventilatore che aspira aria e particelle nel corpo dell'aspirapolvere. Ci sono poche parti da mantenere e l'aspirapolvere ha il vantaggio aggiuntivo di non avere sacchetti che devono essere sostituiti. James Dyson si è fatto miliardario quando ha inventato il primo aspirapolvere con separatore a ciclone dopo aver visto un ciclone funzionante in una segheria.
Aspirapolvere con Separatore a Ciclone
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Risorse Aggiuntive
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Cyclone_separator
https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclonic_separation
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/cyclone-separator