Zasada działania separatora cyklonowego (separator pyłu)

Wprowadzenie

Separacja cyklonowa to metoda rozdzielania różnych faz ciekłych (o różnych gęstościach cieczy) lub rozdzielania cząstek z przepływu gazu. Separatory cyklonowe często są stosowane jako etap wstępnego oczyszczania przed odprowadzeniem gazu lub cieczy. Ten artykuł koncentruje się na gazowym separatorze cyklonowym.

Separatory cyklonowe

Co kryje się za nazwą?

Separator cyklonowy ma kilka potocznych nazw. Należą do nich ‘separator pyłu’, ‘kolektor pyłu’, ‘ekstraktor pyłu’, ‘ekstraktor cyklonowy’ i ‘separator cyklonowy’. Zazwyczaj mniejsze jednostki nazywane są separatorami lub ekstraktorami pyłu, podczas gdy duże przemysłowe separatory nazywane są separatorami cyklonowymi.

Cyklon gazowy i hydrocyklon

Istnieją dwa główne typy separatorów cyklonowych: cyklon gazowy i hydrocyklon.

Cyklony gazowe są używane do usuwania cząstek zawieszonych w przepływie gazu.

Typowa instalacja cyklonu gazowego

Hydrocyklony są używane do rozdzielania cieczy o różnych gęstościach.

Separatory cyklonowe mogą być instalowane jako pojedyncze jednostki lub w zestawach, znanych jako multi-cyklony. Możliwe jest również instalowanie cyklonów w serii lub równolegle.

Separatory mogą być instalowane w orientacji poziomej lub pionowej.

Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasze kursy wideo z inżynierii. Każdy kurs zawiera quiz, podręcznik, a po ukończeniu kursu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!

Separatory cyklonowe gazowe

Separatory cyklonowe gazowe dzielą się na dwie główne kategorie: przepływ odwrotny i przepływ osiowy.

Separatory cyklonowe z przepływem odwrotnym mają kształt stożka. Gaz wchodzi do górnej części korpusu separatora, przepływa w dół, a następnie przepływa z powrotem w górę i jest odprowadzany.

Separator cyklonowy z przepływem odwrotnym

Istnieje wiele projektów separatorów cyklonowych z przepływem odwrotnym. Poniżej przedstawiono inną odmianę cyklonu z przepływem odwrotnym.

Separator cyklonowy z przepływem odwrotnym i generatorem wiru

W separatorach cyklonowych z przepływem osiowym (znanych również jako przepływ prosty), gaz wchodzi z jednej strony i jest odprowadzany z przeciwległej strony. Separatory z przepływem osiowym nie są tak powszechne jak separatory z przepływem odwrotnym.

Cyklon z przepływem osiowym

Efektywność

Ten artykuł skupi się na separatorze cyklonowym z przepływem odwrotnym, ponieważ ten typ separatora jest najczęściej używany obecnie. W artykule będziemy odnosić się do terminu efektywność zbierania, lub po prostu ‘efektywność’. Efektywność zbierania -znana również jako współczynnik wychwytywania lub współczynnik odzysku- to miara zdolności cyklonu do oddzielania cząstek od przepływającego strumienia gazu. Ponieważ cząstki mają różne rozmiary, ocena efektywności jest zwykle podawana dla różnych rozmiarów cząstek.

Punkt odcięcia

Przepływ objętościowy i geometria separatora cyklonowego definiują punkt odcięcia. Punkt odcięcia to punkt, w którym cząstki są usuwane z przepływu gazu przy 50% efektywności. To pomiar standardowy w branży i można go zazwyczaj uzyskać od oryginalnego producenta sprzętu (OEM).

Komponenty i projekt

Separator cyklonowy z przepływem odwrotnym to przemysłowy zespół bez ruchomych części i prostym projektem.

Główna cylindryczna część separatora cyklonowego jest znana jako korpus lub bęben. Stopniowo zwężająca się sekcja stożkowa jest znana jako stożek.

Nieoczyszczony gaz wchodzi stycznie przez wlot z boku separatora. Cząstki zawieszone w strumieniu gazu są oddzielane od strumienia gazu i odprowadzane przez port odrzutu u podstawy separatora. Oczyszczony gaz opuszcza separator przez port akceptacji na górze separatora.

Separator cyklonowy z etykietami

Jak działają separatory cyklonowe

Poniższy film jest fragmentem naszego 

Gaz zawierający cząstki zawieszone wchodzi z dużą prędkością przez wlot styczny na górze cyklonu. Gaz wpływa do korpusu/bębna cyklonu stycznie i zaczyna przepływać w spiralnym ruchu w dół w kierunku dolnego portu odrzutu; ten spiralny przepływ w dół jest nazywany wirującym wirusem.

Linia styczna (pokazana na czerwono)

Średnica stożka stopniowo maleje, co powoduje wzrost prędkości gazu. Zewnętrzny wir tworzy dodatkowy wewnętrzny wir bliżej środka korpusu separatora, a ten wewnętrzny wir przepływa spiralnie w górę w kierunku portu akceptacji.

Wewnętrzny (niebieski) i zewnętrzny (czarny) wir

Cząstki o większej inercji zderzają się z bokiem cyklonu, podczas gdy cząstki o mniejszej inercji pozostają w strumieniu gazu. Inercję można rozumieć jako zdolność cząstki do kontynuowania ruchu w linii prostej, nawet gdy działają na nią siły zewnętrzne. Gdy zostanie zastosowana siła zewnętrzna -taka jak wir cyklonowy- cząstki o niskiej inercji nie będą kontynuować ruchu w linii prostej, lecz będą poruszać się spiralnie, unoszone przez strumień gazu.

Cząstki gazu o niskiej inercji

Cząstki o większej inercji będą mniej podatne na działanie wiru i będą kontynuować ruch w linii prostej. Ta trajektoria w linii prostej powoduje, że cząstki o wysokiej inercji przemieszczają się poza strumień gazu i zderzają się z korpusem separatora cyklonowego. Te cząstki następnie opadają na dno separatora cyklonowego i wychodzą przez port odrzutu. W ten sposób cząstki o określonym rozmiarze mogą być oddzielane od strumienia gazu.

Cząstki gazu o wysokiej inercji

Innym sposobem myślenia o tym procesie jest myślenie o cząstkach o większej gęstości zderzających się z korpusem cyklonu, podczas gdy cząstki o mniejszej gęstości są zatrzymywane w strumieniu gazu. Nie jest to jednak całkowicie prawdziwe, ponieważ zarówno gęstość, jak i kształt cząstki wpływają na jej zdolność do oddzielenia się od strumienia gazu.

Cząstki odprowadzane przez port odrzutu są zazwyczaj poddawane recyklingowi (na miejscu lub poza nim) lub usuwane.

Uwaga fizyczna

Istnieje powszechne błędne przekonanie, że siła odśrodkowa jest siłą, która oddziela cząstki od strumienia gazu, ale to siła dośrodkowa powoduje, że cząstki zderzają się z korpusem separatora.

Poniższe równanie jest używane do obliczania siły dośrodkowej na podstawie prędkości powietrza (v), rozmiaru cząstki (m) i odległości promieniowej (r) od ściany cyklonu.

F =(mv²)/r

Gdzie: v = prędkość powietrza

m = rozmiar cząstki

r = odległość promieniowa

Siły dośrodkowe generowane w separatorze mogą wynosić od pięciu razy siły grawitacji dla separatorów o dużej średnicy i niskim spadku ciśnienia, do 2500 razy siły grawitacji dla separatorów o bardzo małej średnicy i wysokim spadku ciśnienia.

Czynniki wpływające na efektywność

Istnieje kilka czynników, które mogą wpływać na efektywność separatora cyklonowego. Należą do nich gęstość cząstek, rozmiar cząstki, przepływ objętościowy, spadek ciśnienia, długość stożka, długość korpusu, stosunek średnicy portu akceptacji do średnicy korpusu, a nawet gładkość wewnętrznych powierzchni cyklonu. Teraz omówimy bardziej istotne aspekty projektowe w większych szczegółach.

Gęstość cząstek jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na zdolność cyklonu do usuwania cząstek zawieszonych. Gęste cząstki, takie jak tlenki żelaza, mogą być oddzielane z efektywnością 99% lub większą, niezależnie od rozmiaru cząstki. Gdy gęstość cząstek maleje, efektywność maleje (zakładając brak innych zmian w systemie).

Rozmiar cząstek jest istotnym czynnikiem projektowym wpływającym na efektywność separatora. Większe cząstki mogą być łatwiej oddzielane niż mniejsze cząstki. Cząstki mniejsze niż pięć mikronów są trudne do oddzielenia bez użycia bardzo małych separatorów. Cząstki przekraczające 200 mikronów mogą być często oddzielane za pomocą innych metod, takich jak komory osadzania grawitacyjnego. Zmniejszenie rozmiaru cząstek spowoduje odpowiednie zmniejszenie efektywności.

Geometria separatora ma ogromny wpływ na efektywność jednostki. Separator cyklonowy o większej średnicy nie będzie w stanie oddzielać cząstek tak efektywnie, jak separator o mniejszej średnicy. Efektywność separatora wzrasta wraz ze zmniejszaniem się średnicy stożka. Zmniejszenie średnicy stożka umożliwia usuwanie coraz drobniejszych cząstek. Mały stożek o małej średnicy wyodrębni znacznie drobniejsze cząstki z przepływu gazu niż stożek o większej średnicy.

Wszystkie separatory cyklonowe mają związany z nimi spadek ciśnienia. Spadek ciśnienia można rozumieć jako ilość energii potrzebną do przepływu gazu przez separator, alternatywnie, można go rozumieć jako ilość oporu, jaki separator cyklonowy dodaje do przepływu systemu. Spadek ciśnienia jest produktem przepływu gazu, gęstości gazu i geometrii cyklonu. Spadek ciśnienia można wyrazić jako:

DR = Ra Wlot - Ra Wylot

Gdzie:

DR = Spadek ciśnienia cyklonu

Ra = Ciśnienie absolutne

Innym sposobem na zwiększenie efektywności separatora jest zmniejszenie średnicy portu akceptacji. Zmienia to stosunek średnicy korpusu do portu akceptacji i ma efekt polegający na tym, że tylko drobniejsze cząstki mogą opuszczać separator przez port akceptacji.

Duży czy mały separator?

Małe separatory cyklonowe mają wyższą ocenę efektywności, ale związany z nimi spadek ciśnienia jest wysoki, a przepływ objętościowy niski. Prędkość gazu przez małe separatory jest również bardzo wysoka, co prowadzi do wysokiego poziomu erozji, jeśli strumień gazu zawiera cząstki ścierne.

Duże separatory cyklonowe mają niższą ocenę efektywności, ale związany z nimi spadek ciśnienia jest niski, a przepływ objętościowy wysoki. Separator o dużej średnicy nie nadaje się do usuwania drobnych cząstek z przepływu gazu.

Zalety i wady

Istnieje wiele zalet związanych z separatorami cyklonowymi, niektóre z nich to:

• Tanie w zakupie.
• Niskie koszty utrzymania.
• Odpowiednie do wysokich temperatur.
• Odpowiednie do mgieł cieczy.
• Nie wymagają dużo miejsca.

Istnieją pewne wady związane z separatorami cyklonowymi, ale te wady można zmniejszyć, jeśli zostanie wybrany odpowiedni separator do odpowiedniego zastosowania. Wady mogą obejmować:

• Zwiększone koszty operacyjne związane ze spadkiem ciśnienia (zakładając duży spadek ciśnienia).
• Nieskuteczność w obsłudze małych/drobnych cząstek.
• Nieodpowiednie do substancji ‘kleistych’.

Wybór materiału

Wybór materiału jest bardzo ważnym czynnikiem przy wyborze separatora do konkretnego zastosowania. Niektóre systemy procesowe mogą zawierać erozyjne lub korozyjne media przepływające, dlatego konieczne jest dodanie warstwy ochronnej do wewnętrznych powierzchni cyklonu.

Odpowiednie materiały do ochrony separatora w systemach erozyjnych mogą obejmować materiały takie jak ceramika lub jakaś forma emalii. Separatory działające w systemach korozyjnych mogą mieć jakąś formę powłoki emaliowej lub polimerowej, aby chronić metalowy korpus cyklonu poniżej.

Zastosowania

Separatory cyklonowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach ze względu na ich niski koszt, prosty projekt i wysoką efektywność. Separatory cyklonowe nie wymagają worków ani filtrów i wymagają tylko niskiego poziomu konserwacji.

Brudne filtry

Typowym zastosowaniem byłby tartak. Tartaki generują dużo pyłu, który musi być usunięty z tartaku. Pył jest zasysany do głównego systemu ekstrakcji przez ciśnienie ujemne wytwarzane przez wentylator -zwykle wentylator odśrodkowy-. Powietrze zanieczyszczone pyłem przechodzi następnie przez separator cyklonowy, gdzie większość pyłu drzewnego jest oddzielana od strumienia powietrza; czyste powietrze jest następnie odprowadzane bezpośrednio do powietrza atmosferycznego, podczas gdy pył drzewny jest poddawany recyklingowi lub usuwany.

Ustawienie separatora cyklonowego w tartaku

Innym powszechnym zastosowaniem jest domowy odkurzacz. Silnik elektryczny napędza wentylator, który zasysa powietrze i cząstki do korpusu odkurzacza. Jest niewiele części do konserwacji, a odkurzacz ma dodatkową zaletę, że nie ma worków, które trzeba wymieniać. James Dyson stał się miliarderem, gdy wynalazł pierwszy odkurzacz z separatorem cyklonowym po zobaczeniu działającego cyklonu w tartaku.

Odkurzacz z separatorem cyklonowym

Dodatkowe zasoby

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Cyclone_separator

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

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