ЦИКЛОН-ФИЛЬТР

Полезная модель относится к технике, предназначенной для сухой очистки газов от пыли и может быть использована в химической, пищевой, строительной, фармацевтической, металлургической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки доменных газов и вентиляционных выбросов.
Известен конический циклон, включающий цилиндрическую часть незначительной высоты и удлиненную сужающуюся часть, переходящую в штуцер для вывода пыли, спиральный входной патрубок с малым отношением диаметра трубы к цилиндрической части циклона, выхлопную трубу. [Горемыкин В.А., Красовицкий Ю.В., Панов С.Ю., Логинов А.В. Энергосберегающее пылеулавливание при производстве керамических пигментов по «сухому» способу [Текст]. - Воронеж: Воронежск. гос. университет, 2001. - 296 с. - С.85-87]. При тангенциальном вводе пылегазового потока в циклон по спиральному входному патрубку прямолинейное движение газового потока преобразуется во вращательное. Поток запыленного газа движется в циклоне вниз по спирали. Частицы пыли, как более тяжелые прижимаются к внутренней поверхности конического корпуса циклона под действием центробежной силы и сползают вниз по нему к штуцеру для удаления пыли. Очищенный от пыли газ удаляется из циклона через выхлопную трубу в верхней части циклона.
Эффективность работы циклона зависит от скорости газа во входном штуцере и диаметра цилиндрической части циклона, определяющих время нахождения запыленного газа в циклоне.
Недостатком указанной конструкции циклона является невысокая эффективность пылеулавливания за счет того, что при соприкосновении твердой частицы со стенкой возможен ее отскок от стенки и возвращение в очищенный газовый поток, а при увеличении скорости движения газа и уменьшении диаметра конической части возрастает вероятность срыва твердых частиц с поверхности корпуса и увлечения их в очищенный газовый поток, что также приводит к снижению эффективности пылеулавливания, большие габариты аппарата.
Известен фильтр циклон с вращающимся элементом для очистки газов [Патент РФ №2336954, МПК ВO4С 9/00, ВО1D 50/00 Опубликован 27.10.2008. Бюл. №13], в котором повышение эффективности пылеулавливания происходит за счет тангенциально расположенного входного патрубка, обеспечивающего предварительную очистку газа в центробежном поле и вращающегося фильтровального элемента, являющегося одновременно выхлопной трубой, вращение фильтровального элемента осуществляется посредством ременной и фрикционной передач от ветряного колеса, приводимого в движение очищаемым газовым потоком, вращение фильтровального элемента обуславливает появление центробежных сил, действующих на осадок пыли, что обеспечивает непрерывную регенерацию фильтрующего слоя.
Недостатком указанной конструкции фильтра-циклона является невысокая эффективность пылеулавливания за счет того, что пылегазовый поток через тангенциально расположенный входной патрубок попадает в нижнюю часть цилиндрического корпуса и движется по спирали вверх, увлекая за собой крупные частицы дисперсной фазы, которые должны осаждаться под действием силы тяжести вниз. Это снижает эффективность центробежного разделения, вследствие того, что вращающийся фильтровальный элемент расположен выше штуцера ввода пылегазового потока, поэтому осадок пыли, удаляемый с поверхности под действием центробежных сил, вновь попадает в восходящий поток и вновь осаждается на поверхности фильтра.
-1
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является саморегенерирующийся фильтр-циклон для очистки газов от пыли непрерывного действия [Патент РФ №2361649, МПК В01Д 50/00, В04С 9/00, Опубл. 20.07.2009, Бюл.№15], состоящий из цилиндрического корпуса с крышкой и коническим днищем; тангенциально расположенного штуцера для ввода пылегазового потока и штуцера для вывода очищенного газа; фильтровального элемента из пористого материала со связанной структурой, вращающегося от внешнего источника. Корпус данной конструкции разделен перегородкой на камеры запыленного и очищенного газа. Штуцер для ввода запыленного газа расположен в нижней части камеры запыленного газа, а штуцер для вывода очищенного газа - на крышке камеры очищенного газа. Коническое днище выполнено в виде кольцевого канала из двух обратно расположенных усеченных конусов, боковые поверхности которых составляют с вертикалью угол меньше угла естественного откоса улавливаемой пыли, и выполняет роль циклона и пылеразгрузочного устройства с кольцевым штуцером. В камере запыленного газа расположены фильтры. Они выполнены из пористого материала со связанной структурой, имеют звездообразную форму и приводятся в движение (n=1 мин) от находящегося с ним в зацеплении приводного звездообразного элемента с щетинообразной поверхностью, выполненной по эвольвенте, способного изменять частоту своего вращения, а также совершать прерывистое возвратно-поступательное движение вдоль оси своего вращения от внешнего источника. Приводной и находящийся с ним в зацеплении звездообразные фильтровальные элементы имеют перфорированные полые оси вращения, верхний конец которых установлен в подшипниковых узлах и имеет камеру очищенного газа.
Недостатком саморегенерирующегося фильтра-циклона является недостаточно высокая степень очистки пылегазового потока, высокие энергозатраты, низкая производительность и малый срок эксплуатации за счет подачи пылегазового потока в нижнюю часть цилиндрического корпуса, что приводит к закручиванию потока в сужающемся цилиндрическом днище и образованию восходящего очищенного от мелкой пыли потока в зоне удаления осадка с боковой поверхности фильтров, а это в свою очередь вызывает повторное увлечение части пыли в газовый поток и оседание ее опять на боковую поверхность фильтров. Кроме этого, устройству присущи недостатки конических сужающихся циклонов: повышенное гидравлическое сопротивление; трудности с удалением осевшей на стенках пыли; появление завихрений пылегазового потока в конической части аппарата, приводящих к снижению эффективности пылеулавливания.
Техническая задача полезной модели - разработка циклона-фильтра, позволяющего повысить эффективность и качество очистки газа от пыли за счет более полного удаления твердых частиц в циклоне-фильтре, производительность за счет увеличения движущей силы процесса фильтрования и срок эксплуатации при периодической регенерации его поверхности без остановки работы циклона-фильтра, уменьшить габариты циклона-фильтра для пылеулавливания, сократить используемые под циклон-фильтр производственные площади.
Техническая задача полезной модели достигается тем, что в циклоне-фильтре, включающем корпус с крышкой, разделенный перегородкой на камеры запыленного и очищенного газа, коническое днище и штуцер для вывода пыли в виде кольцевого канала и фильтровальный элемент из пористого материала со связанной структурой, закрепленный в подшипниковых узлах, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси от внешнего источника и расположенный в центре корпуса, новым является то, что камера запыленного газа выполнена в виде расширяющегося к низу усеченного конуса, а фильтровальный элемент - в виде сужающегося к низу усеченного конуса, при этом боковая поверхность камеры запыленного газа и внешняя поверхность фильтровального элемента образуют расширяющийся к низу кольцевой канал для движущегося запыленного газа, а фильтровальный элемент выполнен с возможностью кратковременного прерывистого вращения вокруг своей оси в направлении, обратном вектору скорости движения газа и осуществляемого при снижении его производительности, штуцер для ввода запыленного газа расположен в верхней части усеченного конуса камеры запыленного газа.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности и качества очистки газов от пыли, повышении производительности аппарата и снижении энергозатрат на проведение процесса, повышении надежности работы циклона-фильтра, обеспечении непрерывной работы фильтра за счет периодической регенерации его поверхности без остановки циклона-фильтра, снижении сопротивления процессу фильтрования и увеличении скорости осаждения твердых частиц из пылегазового потока, надежности работы, компактности аппарата и в простоте эксплуатации и его изготовления.
На фиг.1 представлена схема циклона-фильтра; на фиг.2 - тангенциальный ввод запыленного пылегазового потока в кольцевой канал между корпусом циклона и поверхностью фильтра (разрез по А-А); на фиг.3. - коническое днище (разрез по Б-Б); фиг.4 - схема действия центробежной силы на твердую частицу по поверхности расширяющегося корпуса циклона.
Циклон-фильтр состоит из корпуса 1 с крышкой 2, разделенного перегородкой 3 на камеру неочищенного газа 4 с тангенциально расположенным штуцером 6 для ввода запыленного потока, с кольцевым штуцером 12 и коническим днищем 11, состоящим из двух обратно расположенных усеченных конусов - корпуса 1 и фильтровального элемента из пористого материала со связанной структурой 8, закрепленного в подшипниковых узлах 9 на валу 10 и выполненного с возможностью вращения вокруг своей оси от внешнего источника и расположенного в центре корпуса, и камеру очищенного газа 5 со штуцером для вывода чистого газа 7.
Циклон-фильтр работает следующим образом.
ц
ц
н
τ
н
τ
Пылегазовый поток по штуцеру 6, установленному тангенциально к корпусу 1 циклона-фильтра в верхней его части, поступает в аппарат и вращается в нем с некоторой окружной скоростью, что приводит к возникновению центробежной силы, действующей на частицы пыли и прижимающей их к стенке камеры запыленного газа 4 корпуса циклона-фильтра 1. При этом центробежная сила Р (фиг.1) направлена нормально по отношению к оси вращения пылегазового потока и в связи с непараллельностью стенки камеры запыленного газа и оси вращения Р раскладывается на две составляющие: нормальную составляющую Р (силу давления) и тангенциальную составляющую Р. При этом сила давления частицы на стенку Р (нормальная составляющая центробежной силы) по сравнению с центробежной силой уменьшается, что приводит к уменьшению силы трения твердой частицы о стенку, а, следовательно, к снижению вероятности отскока частицы от стенки и возвращения ее в газовый поток. Появление тангенциальной составляющей центробежной сила Р, действующей на твердую частицу и направленной вдоль стенки, приводит к росту результирующей силы (в том числе с силой тяжести частицы), обуславливающей ее движение вниз.
Это способствует увеличению скорости осаждения твердой частицы (уменьшению времени их выделения из пылегазового потока), а, следовательно, к росту производительности циклона-фильтра. Одновременно с вращением запыленный газовый поток спиралеобразно спускается вниз в расширяющийся канал, образованный боковой поверхностью камеры запыленного газа 4 и фильтровального элемента 8. При движении потока в расширяющемся канале его скорость падает, а статическое давление в нем растет. Уменьшение скорости газового потока ведет к уменьшению инерционных сил, действующих на твердые частицы, находящиеся как в газовом потоке, так и движущиеся по стенке камеры 4 к днищу 11, способствует более быстрому их выпадению в коническое днище и выводу через кольцевым штуцером 12. Увеличение статического давления в газовом потоке при его движении в расширяющейся к низу камере запыленного газа 4 ведет к росту избыточного давления на наружной поверхности фильтровального элемента по отношению к внутренней полости фильтра (движущей силы процесса фильтрования). Под действием этого перепада давлений газовый поток, освобожденный от основной массы твердых частиц в циклоне, проходит через пористую боковую поверхность фильтра 8 и одновременно освобождается от мельчайших частиц пыли, размер которых определяется структурой пористого материала фильтра. Частицы пыли осаждаются на поверхности фильтра и образуют слой осадка, а очищенный газовый поток из внутренней полости фильтра, закрепленного в подшипниковом узле 9 в разделительной перегородке 3, поступает в камеру очищенного газа 5 и через штуцер 7, установленный на крышке 2, выводится из аппарата. Рост статического давления на поверхности фильтра сопровождается одновременным уменьшением площади его поверхности фильтра (за счет уменьшения его диаметра), что обеспечивает одинаковую производительность по всей высоте фильтра и равномерную толщину слоя осадка на его поверхности. При достижении определенной толщины слоя осадка на поверхности фильтра и соответствующего ей перепада давлений и минимальной производительности фильтра, при заданном значении перепада давлений на фильтровальном элементе включается внешний двигатель, приводящий в кратковременное вращение закрепленный в подшипниковом узле вал 10 с расположенным на нем фильтром 8. Направление вращения фильтра противоположно вектору скорости закрученного потока газа, что способствует значительному росту относительной скорости движения газа на поверхности вращающегося фильтра и отрыву слоя образовавшегося осадка под действие центробежной силы, возникающей при вращении фильтра. Осадок отбрасывается в закрученный газовый поток и на стенку камеры запыленного газа, по ней сползает вниз к коническому днищу 11 и по боковым поверхностям сужающегося кольцевого канала из двух обратно расположенных усеченных конусов к кольцевому штуцеру для вывода пыли 12.
Использование предлагаемого циклона-фильтра позволяет:
- повысить эффективность очистки газа от пыли за счет удаления из пылегазового потока твердых частиц различных фракций;
- работать с запыленными потоками с различной концентрацией твердой фазы;
- обеспечить непрерывную работу циклона-фильтра за счет периодической регенерации его поверхности без остановки работы циклона-фильтра;
- увеличить скорость осаждения твердых частиц из пылегазового потока за счет снижения сопротивления процессу фильтрования,
- повысить производительность аппарата;
- снизить энергозатраты на проведение процесса;
- повысить надежность работы;
- сохранить компактность аппарата и обеспечить простоту в эксплуатации и изготовлении;
- сократить используемые производственные площади;
- оптимизировать процесс регенерации фильтра периодическим кратковременным его вращением.