Cycloonafscheider Werkingsprincipe (Stofafscheider)

Inleiding

Cyclonische scheiding is een techniek om verschillende vloeistoffasen (verschillende vloeistofdichtheden) te scheiden, of om deeltjes uit een gasstroom te verwijderen. Cycloonafscheiders worden vaak gebruikt als een voorbehandelingsstap voordat een gas of vloeistof wordt afgevoerd. Dit artikel richt zich op de gascycloonafscheider.

Cycloonafscheiders

Wat zit er in een naam?

Een cycloonafscheider heeft verschillende informele benamingen. Deze omvatten ‘stofafscheider’, ‘stofverzamelaar’, ‘stofzuiger’, ‘cycloonzuiger’ en ‘cycloonafscheider’. Over het algemeen worden kleinere eenheden aangeduid als ‘stof’ afscheiders of zuigers, terwijl grootschalige industriële afscheiders worden aangeduid als ‘cycloonafscheiders’.

Gascycloon en Hydrocycloon

Er zijn twee hoofdtypen cycloonafscheiders: de gascycloon en de hydrocycloon.

Gascyclonen worden gebruikt om deeltjes uit een gasstroom te verwijderen.

Typische Gascycloon Installatie

Hydrocyclonen worden gebruikt voor het scheiden van vloeistoffen met verschillende dichtheden.

Cycloonafscheiders kunnen als enkele eenheden worden geïnstalleerd, of in meervoud, bekend als multi-cyclonen. Het is ook mogelijk om cyclonen in serie of parallel te installeren.

Afscheiders kunnen horizontaal of verticaal worden geïnstalleerd.

Geniet je van dit artikel? Bekijk dan zeker onze Engineering Video Cursussen. Elke cursus heeft een quiz, handboek, en je ontvangt een certificaat wanneer je de cursus afrondt. Geniet ervan!

Gascycloonafscheiders

Gascycloonafscheiders worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën: omgekeerde stroom en axiale stroom.

Omgekeerde stroom cycloonafscheiders hebben een kegelvorm. Gas komt binnen aan de bovenkant van het afscheiderlichaam, stroomt naar beneden, en stroomt dan weer omhoog en wordt afgevoerd.

Omgekeerde Stroom Gascycloonafscheider

Er bestaan verschillende ontwerpen van omgekeerde stroom cycloonafscheiders. Hieronder is een andere variant van de omgekeerde stroom cycloon weergegeven.

Omgekeerde Stroom Cycloonafscheider Met Wervelgenerator

Bij axiale stroom (ook bekend als recht-door) cycloonafscheiders, komt gas aan de ene kant binnen en wordt aan de andere kant afgevoerd. Axiale stroomafscheiders zijn minder gebruikelijk dan omgekeerde stroomafscheiders.

Axiale Stroom Cycloon

Efficiëntie

Dit artikel zal zich richten op de omgekeerde stroom gascycloonafscheider omdat dit type afscheider het meest gebruikt wordt. We zullen de term verzamelefficiëntie, of simpelweg ‘efficiëntie’ gebruiken in het artikel. De verzamelefficiëntie -ook bekend als de vangst of herstelpercentage- is een maat voor een cycloon’s vermogen om deeltjes uit de stromende gasstroom te scheiden. Omdat deeltjes verschillende groottes hebben, wordt de efficiëntie meestal gegeven voor verschillende deeltjesgroottes.

Scheidingspunt

Het volumetrische debiet en de geometrie van de cycloonafscheider definiëren het scheidingspunt. Het scheidingspunt is het punt waarop deeltjes worden verwijderd uit de gasstroom bij 50% efficiëntie. Deze meting is een industriestandaard en kan meestal worden verkregen van de oorspronkelijke apparatuurfabrikant (OEM).

Componenten en Ontwerp

Een omgekeerde stroom cycloonafscheider is een industriële assemblage zonder bewegende delen en een eenvoudig ontwerp.

Het belangrijkste cilindrische deel van de cycloonafscheider staat bekend als het lichaam of de cilinder. Het geleidelijk versmallende conische gedeelte staat bekend als de kegel.

Onbehandeld gas komt tangentiëel binnen via de inlaat aan de zijkant van de afscheider. Meegevoerde deeltjes binnen de gasstroom worden gescheiden van de gasstroom en afgevoerd via de afvoerpoort aan de basis van de afscheider. Gezuiverd gas verlaat de afscheider via de uitlaatpoort aan de bovenkant van de afscheider.

Cycloonafscheider Met Labels

Hoe Cycloonafscheiders Werken

De onderstaande video is een fragment van onze 

Gas met meegevoerde deeltjes komt met hoge snelheid binnen via de tangentiële inlaat aan de bovenkant van de cycloon. Het gas stroomt tangentieel de cyclooncilinder in en begint in een cirkelvormige neerwaartse spiraal te stromen naar de onderste afvoerpoort; deze neerwaartse spiraal wordt een spiraalvormige vortex genoemd.

Tangentlijn (getoond in rood)

De kegeldiameter neemt geleidelijk af, waardoor de gassnelheid toeneemt. De buitenste vortex creëert een extra binnenste vortex dichter bij het midden van het afscheiderlichaam en deze binnenste vortex stroomt spiraalvormig omhoog naar de uitlaatpoort.

Binnenste (blauw) en Buitenste (zwart) Vortex

Deeltjes met meer traagheid zullen tegen de zijkant van de cycloon botsen, terwijl deeltjes met minder traagheid binnen de gasstroom blijven. Traagheid kan worden gezien als het vermogen van een deeltje om in een rechte lijn te blijven bewegen, zelfs wanneer er externe krachten worden uitgeoefend. Wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend -zoals door de cyclonische vortex- zullen de deeltjes met lage traagheid niet in een rechte lijn blijven bewegen, maar in plaats daarvan spiraalvormig bewegen terwijl ze worden meegevoerd door de gasstroom.

Meegevoerde Deeltjes met Lage Traagheid

Deeltjes met grotere traagheid zullen minder worden beïnvloed door de vortex en zullen in een rechte lijn blijven bewegen. Deze rechte lijntraject zorgt ervoor dat de deeltjes met hoge traagheid uit de gasstroom bewegen en tegen het afscheiderlichaam botsen. Deze deeltjes vallen dan naar de basis van de cycloonafscheider en uit de afvoerpoort. Op deze manier kunnen meegevoerde deeltjes van een bepaalde grootte worden gescheiden van de gasstroom.

Meegevoerde Deeltjes met Hoge Traagheid

Een andere manier om dit proces te bekijken, is door te denken aan deeltjes met een hogere dichtheid die botsen met het cycloonlichaam, terwijl minder dichte deeltjes binnen de gasstroom blijven. Dit is echter niet helemaal waar, aangezien zowel de dichtheid als de vorm van het deeltje de mogelijkheid om te worden gescheiden van de gasstroom beïnvloeden.

Deeltjes die via de afvoerpoort worden afgevoerd, worden meestal gerecycled (op of buiten de locatie), of afgevoerd.

Fysica Opmerking

Het is een veelvoorkomend misverstand dat centrifugale kracht de kracht is die de deeltjes van de gasstroom scheidt, maar het is centripetale kracht die ervoor zorgt dat de deeltjes botsen met het afscheiderlichaam.

De onderstaande vergelijking wordt gebruikt om de centripetale kracht te berekenen op basis van de luchtsnelheid (v), deeltjesgrootte (m) en radiale afstand (r) vanaf de cycloonwand.

F =(mv²)/r

Waar: v = luchtsnelheid

m = deeltjesgrootte

r = radiale afstand

Centripetale krachten die binnen de afscheider worden gegenereerd, kunnen variëren van vijf keer de zwaartekracht voor grote diameter lage druk verlies afscheiders, tot 2.500 keer de zwaartekracht voor zeer kleine diameter hoge drukverlies afscheiders.

Factoren die de Efficiëntie Beïnvloeden

Er zijn verschillende factoren die de efficiëntie van een cycloonafscheider kunnen beïnvloeden. Deze omvatten deeltjesdichtheid, deeltjesgrootte, volumetrisch debiet, drukverlies, kegellengte, lichaamslengte, verhouding van uitlaatpoort tot lichaamsdiameter, en zelfs de gladheid van de interne oppervlakken van de cycloon. We zullen nu de belangrijkere ontwerpaspecten in meer detail bespreken.

Deeltjesdichtheid is een van de meest bepalende factoren die het vermogen van een cycloon beïnvloeden om meegevoerde deeltjes te verwijderen. Dichte deeltjes zoals ijzeroxiden kunnen met een efficiëntie van 99% of meer worden gescheiden, ongeacht de deeltjesgrootte. Wanneer de deeltjesdichtheid afneemt, neemt de efficiëntie af (ervan uitgaande dat er geen andere systeemveranderingen optreden).

Deeltjesgrootte is een belangrijke ontwerpoverweging die de efficiëntie van een afscheider beïnvloedt. Grotere deeltjes kunnen gemakkelijker worden gescheiden dan kleinere deeltjes. Deeltjes kleiner dan vijf micron zijn moeilijk te scheiden zonder zeer kleine afscheiders te gebruiken. Deeltjes groter dan 200 micron kunnen vaak worden gescheiden met andere methoden zoals zwaartekracht-sedimentatiekamers. Een vermindering van de deeltjesgrootte zal een overeenkomstige vermindering van de efficiëntie geven.

De geometrie van een afscheider heeft een grote invloed op de efficiëntie van de eenheid. Een cycloonafscheider met een grotere diameter zal deeltjes niet zo efficiënt kunnen scheiden als een afscheider met een kleinere diameter. De efficiëntie van de afscheider neemt toe naarmate de kegeldiameter afneemt. Dus, door de kegeldiameter te verkleinen, kunnen fijnere en fijnere deeltjes worden verwijderd. Een kegel met een kleine diameter zal veel fijnere deeltjes uit een gasstroom halen dan een kegel met een grotere diameter.

Alle cycloonafscheiders hebben een bijbehorend drukverlies. Het drukverlies kan worden gezien als de hoeveelheid energie die nodig is om het gas door de afscheider te verplaatsen, of als de hoeveelheid weerstand die de cycloonafscheider toevoegt aan de systeemstroom. Het drukverlies is een product van de gasstroomsnelheid, gasdichtheid en cycloongeometrie. Drukverlies kan worden uitgedrukt als:

DR = Ra Inlaat - Ra Uitlaat

Waar:

DR = Cycloon Drukverlies

Ra = Absolute Druk

Een andere manier om de efficiëntie van een afscheider te verhogen, is door de diameter van de uitlaatpoort te verkleinen. Dit verandert de verhouding van het afscheiderlichaam tot de uitlaatpoortdiameter en heeft als effect dat alleen fijnere deeltjes de afscheider via de uitlaatpoort kunnen verlaten.

Grote of Kleine Afscheider?

Kleine cycloonafscheiders hebben een hogere efficiëntie, maar het bijbehorende drukverlies is hoog en het volumetrische debiet is laag. De gassnelheid door kleine afscheiders is ook erg hoog en dit zal leiden tot een hoog niveau van erosie als de gasstroom schurende deeltjes bevat.

Grote cycloonafscheiders hebben een lagere efficiëntie, maar het bijbehorende drukverlies is laag en het volumetrische debiet is hoog. Een afscheider met een grote diameter is niet geschikt voor het verwijderen van fijne deeltjes uit een gasstroom.

Voordelen en Nadelen

Er zijn veel voordelen verbonden aan cycloonafscheiders, enkele hiervan zijn:

• Goedkoop in aanschaf.
• Lage onderhoudskosten.
• Geschikt voor hoge temperaturen.
• Geschikt voor vloeibare nevels.
• Vereisen weinig ruimte.

Er zijn enkele nadelen verbonden aan cycloonafscheiders, maar deze nadelen kunnen in ernst worden verminderd als de juiste afscheider wordt geselecteerd voor de juiste toepassing. Nadelen kunnen zijn:

• Verhoogde operationele kosten geassocieerd met het drukverlies (ervan uitgaande dat er een groot drukverlies is).
• Onvoldoende bij het hanteren van kleine/fijne deeltjes.
• Niet geschikt voor ‘plakkerige’ stoffen.

Materiaalkeuze

Materiaalkeuze is een zeer belangrijke overweging bij het kiezen van een afscheider voor een specifieke toepassing. Sommige processystemen kunnen erosieve of corrosieve stromende media bevatten, dus het is noodzakelijk om een beschermlaag toe te voegen aan de interne oppervlakken van de cycloon.

Geschikte materialen voor het beschermen van de afscheider binnen erosieve systemen kunnen materialen omvatten zoals keramiek of een vorm van email. Afscheiders die binnen corrosieve systemen werken, kunnen een vorm van email of poly-gebaseerde materiaalcoating hebben om het metalen lichaam van de cycloon eronder te beschermen.

Toepassingen

Cycloonafscheiders worden in veel toepassingen gebruikt vanwege hun lage kosten, eenvoudige ontwerp en hoge efficiëntie. Cycloonafscheiders vereisen geen zakken of filters en vereisen slechts weinig onderhoud.

Vuile Filters

Een typische toepassing zou een zagerij zijn. Zagerijen genereren veel stof dat uit de molen moet worden verwijderd. Stof wordt in het hoofdafzuigsysteem gezogen door een negatieve druk die wordt gecreëerd door een ventilator -meestal een centrifugaalventilator-. De met stof beladen lucht passeert vervolgens een cycloonafscheider waar het meeste houtstof uit de luchtstroom wordt gescheiden; de schone lucht wordt vervolgens direct naar de omgevingslucht afgevoerd, terwijl het houtstof wordt gerecycled of afgevoerd.

Cycloonafscheider Houtzagerij Setup

Een andere veelvoorkomende toepassing is de huishoudelijke stofzuiger. Een elektromotor drijft een ventilator aan die lucht en deeltjes in het stofzuigerlichaam zuigt. Er zijn weinig onderdelen om te onderhouden en de stofzuiger heeft het extra voordeel dat er geen zakken hoeven te worden vervangen. James Dyson maakte zichzelf miljardair toen hij de eerste cycloonafscheider stofzuiger uitvond na het zien van een werkende cycloon in een houtzagerij.

Cycloonafscheider Stofzuiger

Gerelateerde Online Engineering Cursussen

Hoe Zuiveraars en Clarifiers Werken (Centrifugale Afscheiders)

Elektrostatische Precipitatoren (ESP)

Aanvullende Bronnen

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Cyclone_separator

https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclonic_separation

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/cyclone-separator