Сравнительная эффективность пылеулавливания циклонов и циклонных камер

УДК 621.177

В. В. Алексеев, В. А. Булкин, И. И. Поникаров

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ ЦИКЛОНОВ

И ЦИКЛОННЫХ КАМЕР

Ключевые слова: эффективность пылеулавливания, диаметр частиц, гидравлическое сопротивление, скорость движения

газа, пылегазоразделитель.

В работе сравнивается эффективность пылеулавливания различных циклонов и циклонных камер. Представлены зависимости эффективности пылеулавливания от различных параметров. Эффективность пылеулавливания циклонов, циклонных и циклонно-вихревых камер определяется физико-химическими свойствами сплошной и дисперсной фаз, режимными и конструктивными параметрами.

Keywords: dust collecting efficiency, the particle diameter, the fluid resistance, gas velocity, dust-gas separator.

This paper compares the performance of different dedusting cyclones and cyclone chambers. Presented depending on the dust collection efficiency of various parameters. Dust collection efficiency of cyclones, cyclones and cyclone-vortex chamber defined by physic-chemical properties of the continuous and dispersed phases, regime and the constructive parameters.

В настоящее время сухие центробежные пылеуловители рекомендуется использовать в технологических производствах, в которых образование жидких шламовых отходов недопустимо. Наибольшее применение в практике центробежного пылеулавливания нашли

высокопроизводительные (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24) и высокоэффективные (СК-ЦН-34, СК-ЦН-22, СК-ЦН-40, СДК-ЦН-33) циклоны [1,2,10]. Кроме вышеуказанных противоточных циклонов могут быть использованы циклонные и циклонно-вихревые камеры [4-6] для организации специфических процессов пылеулавливания.

OA 3.6

1.8 2,0 АР-1П 3 па

Рис. 1 - Зависимость степени очистки в одинаковых по расходу воздуха циклонах от гидравлического сопротивления: 1 - ЦН-11; 2 -ЦН-15; 3 - ВЦНИИОТ; 4 - СИОТ; 5 - ЛИОТ; 6 -ЦН-15У; 7 - ЦН-24

Целью данной работы являются сравнение по эффективности пылеулавливания различных циклонов и циклонных камер. Общая эффективность пылеулавливания п определяется по уравнению [1]:

ц=-

Мх-МВых_ Gbx ' ^вх Сувых''QbIX_ Qx-Qb,

Их °вх "Ох Ож

где Мвх, Мвых- массовый расход частиц пыли соответственно на входе и выходе, кг/с; О,, , О,, -

объемные расходы газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него, м3/с; Свх, Свых- объемные

концентрации соответственно на входе в аппарат и выходе из него, кг/м3.

На рис. 1 представлен график зависимости эффективности пылеулавливания п от гидравлического

сопротивления АР, Па [9] для циклонов НИИОГАЗ, СИОТ, ЛИОТ и ВЦНИИОТ. Анализ этого графика показывает, что с увеличением гидравлического сопротивления (расхода газа) эффективность пылеулавливания всех типов циклонов возрастает. Наибольшую эффективность из рассмотренных циклонов имеют ЦН-11 и ЦН-15, а наименьшую -ЦН-24.

В работе [2] эффективность пылеулавливания циклонов основана на определении минимального размера частиц d5o, мкм с 50% эффективностью пылеулавливания. В качестве стандартных условий были использованы следующие параметры: скорость движения газа в свободном сечении аппарата с диаметром Б=0,6 м уг= 3,5 м/с для частиц с плотностью рч=1930 кг/м3 и вязкостью газовой смеси цг=22,2-10"6 Па-с.

В таблице 1 представлены значения параметра d50, мкм от некоторых типов циклонов.

Таблица 1

Тип циклона d50, мкм

ЦН-24 8,50

ЦН-15У 6,0

ЦН-15 4,50

ЦН-11 3,65

СДК-ЦН-33 2,31

СК-ЦН-34 1,95

СК-ЦН-22 1,13

При других условиях работы применяется уравнение для пересчета d50 [2]:

d50 _ d5

50

D

1 1 Рч Mr Vr

D1 Р ч Vr

где надстрочный индекс 1 означает стандартные условия работы циклона.

Другим способом определения эффективности пылеулавливания циклонов является определение минимального (критического) диаметра частиц м, полностью улавливаемых в аппаратах [3-8].

В работе Розина, Раммлера [3] представлена формула для расчета минимального диаметра частиц 4м, м для циклона диаметром Б, м:

где V - эффективный объем циклона, м ; увх-скорость движения газа на входе в циклон, м/с; ву-объемный расход газа, м3/с; а - ширина входного патрубка, м.

Другое выражение для нахождения, 4м, м предлагается в работе Риетемы [4]:

Нм = 3-

Рг

Ь-Н Др Рч - Рг

где Н и Ь - высоты циклона и входного патрубка, м; рг - плотность газовой смеси, кг/м3; Др -гидравлическое сопротивление циклона, Па.

Диаметр частиц 4м, м определяемый Дэвиесом [5], представлен уравнением:

Нм = -3-.

2-Мг

2 V 2 - Н - (рч - Рг )-ув

где относительный диаметр выхлопной

трубы, 4 - диаметр выхлопной трубы, м.

В работе Страусса [6] 4м, м определяется по выражению (6):

¿м = 3-,

СУ -Рг

2-П-

в) тангенциальная скорость частицы постоянна и не зависит от его положения;

г) при достижении стенки циклона частицы не могут быть снова унесены потоком газа.

Расчет 4м по уравнениям (3) и (6) из-за несоответствия размерностей затруднителен, поэтому для сравнения минимальных диаметров гипотетического циклона были использованы уравнения (4), (5), (7) и (8).

В качестве исходных данных были приняты следующие значения: а = 0.18 м; Ь = 0.6 м; Н = 2,28 м; рГ = 1,2 кг/м3; ДР = 1,5 кПа; уР = 1 м/с; увх = 9,16

м/с; ув = 8,24 м/с; GV = 1 м3/с; 5 = 0,4.

Минимальные диаметры частиц, рассчитанные по формулам (4), (5), (7), (8) равны соответственно 3,6 мкм, 14,7 мкм, 15,6 мкм, 15,7 мкм. Результаты расчета 4м, полученного по уравнению (4), примерно в 3.5 - 4 раза занижены по сравнению с расчетными данными по уравнениям (5), (7), (8), что, по-видимому, связано с ошибочным коэффициентом уравнения (4).

Рис. 2 - Зависимость пФ от мкм для циклонов: ЦН-15 - 1; Свифта - 2

где Нц - высота цилиндрической части циклона, м; БВ - диаметр пылеразгрузочного устройства, м; ИТР -высота выхлопной трубы, м.

Тер Линден [7] для расчета 4м, м использует

' 3 ^2 -

где уР- скорость радиального движения газов (сток газов), м/с; уВ- скорость вращения газового потока вокруг неподвижной оси, м/с.

Доершлаг и Мижек [8] определяют минимальный диаметр частиц 4м, м в степенном виде, в том числе и в зависимости от гидравлического сопротивления по выражению: н = с П1/2 V1/4 Др-3/8 р3/8 . .1/2 р-1/2

°м = С0 и ^вх ' Др рГ МГ рч ,

где с0- коэффициент, определяемый геометрией циклона (с0= 540 - 840).

При выводе этих формул принимался целый ряд допущений, среди которых можно выделить несколько общих:

а) частицы не влияют друг на друга;

б) сопротивление движению частиц в газовой среде подчиняется закону Стокса;

1

0.8

0.4

I 3 5 уТ , м/с

Рис. 3 - Зависимость п от уГ, м/с для циклонов: Огавы - 1; циклонного сепаратора - 2; СК-ЦН-34 -3; Гумбольдта - 4; ЦНС-8 - 5; ЦН-15 - 6; ЦН-24 - 7

Эффективность пылеулавливания циклонов, циклонных и циклонно-вихревых камер определяется физико-химическими свойствами сплошной (рг, Цг) и дисперсной (рч, 4ч) фаз, режимными (увх, уг) и конструктивными параметрами.

Влияние физико-химических свойств

Различные условия проведения процесса пылеулавливания (температура и давление) оказывают влияние на плотность и вязкость газовой смеси. Как следует из уравнений (4), (7) и (8), с

V

г

V

вх

увеличением плотности и вязкости газов возрастает минимальный диаметр частиц dM, полностью улавливаемый в центробежном поле аппарата. Почти все авторы одинаково оценивают влияние

вязкости газов на минимальный диаметр частиц: d,j

1/2

~ цГ , а влияние плотности газов оценивается не однозначно: djj ~ рГ 3/8, рГ 1/2.

Из комплекса физико-химических свойств пыли ее наиболее важной характеристикой является дисперсный состав, и все методы расчета эффективности пылеулавливающего оборудования основаны на использовании характерного размера частиц: среднемассового (медианного),

минимального (критического) и т.п.

Известно, что увеличение плотности частиц рЧ увеличивает центробежную силу и повышает ее сепарационную способность. Как следует из расчетных формул (3) - (8), более плотная частица имеет меньший размер: d4 ~ рЧ -1/2 Влияние диаметра частиц d4 для циклонов ЦН-15 и Свифта показано на рис. 2. Как видно из графика, эффективность пылеулавливания частиц диаметром меньше 10 мкм не превышает 0,8 - 0,85.

Влияние режимных параметров

Такими параметрами, влияющими на эффективность пылеулавливания, являются скорость движения газа во входном патрубке vBX и в свободном сечении vr. Оптимальная скорость v^, в зависимости от конструктивных параметров изменяется от 15 до 25 м/с, а скорость vr, соответственно, от 2,5 до 4,5 м/с. На рис. 3 представлен график зависимости эффективности п от скорости движения газа в свободном сечении vr для циклонов ЦН-15, ЦН-24, ЦНС-8, СК-ЦН-34, Огавы, циклонного сепаратора, Гумбольдта. Наибольшей эффективностью обладает циклон Огавы, циклонный сепаратор несколько уступает ему, но превышает отечественный циклон СК-ЦН-34. С увеличением скорости движения газа от 1 до 5 м/с для всех типов циклонов наблюдается увеличение эффективности пылеулавливания.

Влияние конструктивных параметров

Основными конструктивными параметрами, влияющими на эффективность пылеулавливания, являются: коэффициент крутки потока на входе Кт= FiA/Fp: относительные площадь входа Ги-Гк/Г; радиус входа потока R-1 ±Д (знак «+» используется для циклонов с улиточным, а знак «-» -с простым тангенциальными закручивающими устройствами); диаметр выхлопной трубы 3= d/C1: ширина 5= a/D и высота входного патрубка и

входной угол закрутки фвх (фвх = 66 -ь 90 ), где Р|Л=а'& - площадь поперечного сечения канала входного патрубка, м2; - площадь

входной зоны кольцевого канала,

м

площадь свободного сечения аппарата, м2.

На рис. 4 представлены графики зависимости эффективности п от относительных площади входа

Рвх и диаметра выхлопной трубы Н для высокоэффективных (Рвх < 0.18 - 0.20) и

высокопроизводительных ( Рвх < 0.3 - 0.4) циклонов. Анализ этих графиков показывает, что для высокоэффективных циклонов увеличение диаметра Йот 0,2 до 0,7 приводит к уменьшению эффективности пылеулавливания при постоянном значении Рвх.

Л

0.9

_ ---

2

3

- I Л

2 6 10 14 FBïxlO

30 ГвххКЯ

Рис. 4 - Зависимость Т| ОТ I™ вх для циклоновt при у 0,2 (1), 0,3 (2), 0,4 (3), 0,6 (4), 0,7 (5); 6 -экспериментальные данные [11, 12], [7] - [13], [8]-И

0.85 -

0.75

Рис. 5 - Зависимость п от а для циклонов: при Рвх = 0,01

По экспериментальным данным исследований Криегеля и Глогера [11, 12] некоторое увеличение относительной площади входа высокоэффективных циклонов не приводит к существенному повышению эффективности пылеулавливания. В работе Барахтенко Г.М. и др. [13] для высокопроизводительных циклонов установлено некоторое уменьшение эффективности п с

увеличением Рвх. Достаточно высокие значения эффективности пылеулавливания были достигнуты за счет малой относительной ширины входа а.

По данным исследования эффективности пылеулавливания отечественных циклонов [9] было установлено уменьшение параметра п с увеличением конструктивного параметра Рвх . Аналогичный вывод можно получить, используя

уравнение (4), в котором нужно вместо отношения

vr/ vBX подставить величину Fbx .

Как правило, уменьшение параметра а приводит к увеличению конструктивного параметра

R вх и должно несколько увеличивать эффективность пылеулавливания. Однако, как видно из графика, представленного на рис. 5,

эффективность п возрастает при а < 0,05 (очень узких щелевых входах) и зависит от F вх . При постоянной относительной ширине а = const увеличение п происходит за счет уменьшения параметра Fвх.

Выводы

1. Анализ эффективности пылеулавливания циклонного оборудования показал необходимость учета физико-химических и режимных параметров новой газоочистной техники.

2. При разработке аппаратов вихревого типа (циклонов, циклонных камер и вихревого пылегазоразделителя) [16-18] для промышленных условий были выбраны технически обоснованные параметры.

Литература

1. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли.- М.: Химия, 1981.-392 с.

2. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под общ. ред. А.А. Русанова. М., Энергия, 1975.-296 с.

3. Rozin P., Rammler E., Intelmann W.-Z.Ver.Dent.Ing., 1932, Bd.76, S.433-437.

4. Rietema K. Cyclones in Industry /Ed.by K.Rietema, C.G. Verver. Amsterdam, Elsevier, 1961. V.11, 151 p.

5. Davies C.N.- Proc. Inst. Mechan. Eng.,1952, B.v.18., №5, p.185-198.

6. Strauss W. Industrial Gas Cleaning. 2 - nd ed. Oxford, Pergamon Press, 1975, 622 p.

7. Ter Linden A.I.- Proc.Inst.Mechan.Eng.,1949, v.160, p.15-39.

8. Doerschlag C., Miczek G.- Chem. Eng.(N.Y.), 1977, v.84, №4, p. 64 - 72.

9. Коузов П.А. Сравнительная оценка циклонов различных типов.- Обеспыливание в металлургии. М.: Металлургия, 1971, с.185.

10. Падва В.Ю. Теоретическое и экспериментальное исследование циклонных пылеуловителей. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: Центр. науч.- исслед. ин-т эксперим. проектирования жилища, 1969.

11. Kriegel E. Modelluntersuchung von Zyclonabscheidern. Teil 1.Experimentelle Ergebnisse. - Technishe Mitteilungen Krupp Forshungsberichte.1967, Bd. 25, No.1/2, S.21.

12. Gloger J., Niendorf G., Untersuchungen and einem Modellzyclon uber den EinfluB verschiedener geometrisher Parameter auf Absscheidegrad und Druckverlust.-Chem.Techn., 1970, Bd. 22, No.9,S.525.

13. Барахтенко Г.М., Кулешин Н.М., Еремин Н.Я. Исследование циклона с узким тангенциальным входом.- Промышленная и санитарная очистка газов. Науч.-техн. реф. сб. НИИОГаз.1978, №2, с. 7.

14. Карпов С.В., Сабуров Э.Н. Оптимизация геометрических характеристик циклонных сепараторов.-Теор. основы хим. технол. 1998, Т.32. №1. с. 11 - 16.

15. Ведерников В. Б. Оптимизация конструкций циклонов. - Теор. основы хим. технол. 1990, Т.24, №1, с. 98.

16. Алексеев В.В., Поникаров И.И. Повышение эффективности пылеулавливания в производстве сухой молочной сыворотки, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, № 6, 216-219, (2014).

17. Алексеев В.В., Поникаров И. И. Исследование аэродинамических закономерностей вихревого пылегазоразделителя, Вестник Казан. технол. ун-та, 16, № 20, 220-223, (2013).

18. Алексеев В.В., Поникаров И.И. Анализ гидравлического сопротивления и расчет противоточных и вихревых камер, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, № 2, 132-134, (2014).

© В. В. Алексеев - к.т.н., доцент кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ, e-mail: valexeevtt@mail.ru, В. А. Булкин - д.т.н., профессор той же кафедры, e-mail: bulkin_v_a@mail.ru; И. И. Поникаров - д.т.н. профессор той же кафедры, советник ректората.

© V. V. Alexeev - Ph.D., Associate Professor, Department of machines and devices of chemical manufactures KNRTU, valexeevtt@mail.ru; V. A. Biilkin - Professor in the same department, bulkin_v_a@mail.ru; 1 1 Ponikarov - Professor in the same department, the adviser of administration/