Циклон

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для очистки газов от частиц и капель дисперсной фазы в центробежном поле и может найти применение в строительной, горно-перерабатывающей, химической, нефтехимической, машиностроительный, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки воздуха и вентиляционных выбросов.
Известна конструкция гидроциклона, состоящая из цилиндрического корпуса с тангенциальным патрубком на входе очищаемого потока жидкости в верхней части корпуса, отвода шлама через патрубок выхода в нижней части корпуса и отвода очищенного потока жидкости через верхний патрубок встроенным в него рабочим колесом насоса [Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1974, с. 157-159].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность применения центриклонов при очистке газов, связанные с засорением подшипников рабочего колеса насоса неуловленными мелкодисперсными частицами пыли, выходящими из верхнего патрубка, это приводит к повышению трения, росту гидравлического сопротивления и как следствие уменьшение производительности. Кроме того, засорение мелкодисперсными частицами пыли подшипников рабочего колеса насоса требует затрат времени при ремонте, что снижает основное время работы и также уменьшает общую производительность по очищаемому воздуху или газу.
Известна конструкция циклона, содержащего цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком, осевую выхлопную трубу, патрубок для ввода жидкости, теплообменник, выполненный в виде рубашки на внешней поверхности цилиндроконического корпуса, с патрубками подачи и отвода жидкого хладагента. На осевой выхлопной трубе закреплена винтообразная трубка, имеющая на нижнем конце заглушку и снабженная равномерно установленными по ее длине вертикальными патрубками для подачи пара внутрь корпуса. Для выгрузки шлама в нижней части корпуса установлен патрубок [патент РФ №2187382, В04С 5/20, 2002 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся то, что данный циклон не позволяет полностью удалять мелкие дисперсные частицы из запыленного газового потока, что приводит к загрязнению окружающей среды. Это обусловлено тем, что масса мелких частиц пыли с конденсированной на них влагой недостаточно для удаления из потока под действием центробежных сил, что, в свою очередь, снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является конструкция циклона, которая содержит корпус, по оси которого расположен цилиндрический барабан с лопастями, внутри которого установлен распылитель жидкости, при этом барабан имеет возможность свободно вращаться под действием потока жидкости из распылителя, выполненного в виде распылительных патрубков, установленных в верхней части барабана, на лопасти, равномерно расположенные по внутренней поверхности барабана на уровне распылителя жидкости, а к нижней части барабана прикреплен цилиндр с равномерно перфорированной боковой поверхностью для обеспечения равномерного разбрызгивания капель жидкости в корпусе под действием центробежной силы [патенту РФ №2180260, B01D 47/06, 2002 г].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся недостаточная степень очистки запыленного газа от частиц тонкодисперсной фазы из-за отсутствия вращения газового потока вблизи стенки корпуса и резкого уменьшения в связи с этим центробежных сил, отбрасывающих эти частицы к стенке. Кроме того, улавливаемые мокрые частицы, оседающие на стенки корпуса, прилипают к нему, что усложняет удаление этих частиц со стенок корпуса, что в совокупности уменьшает время основной работы аппарата, а, следовательно, производительность.
Техническим результатом является повышение производительности за счет свободного вращения выходного газового патрубка, приводящего к увеличению окружной скорости вращения потока.
Поставленный технический результат достигается тем, что в циклоне, содержащем корпус с крышкой, по оси которого расположен цилиндрический барабан, имеющей возможность свободного вращения, патрубок для тангенциальной подачи запыленного газа внутрь корпуса и патрубок для отвода уловленных частиц из корпуса, причем на крышке установлен кольцевой карман, а на верхней части цилиндрического барабана закреплена кольцевая перегородка, к которой в нижней части прикреплен тор с положительной плавучестью.
Установка на крышке кольцевого кармана и закрепление кольцевой перегородки на верхней части цилиндрического барабана позволяет создать гидрозатвор, который предотвращает унос мелкодисперсных частиц в атмосферу, повышая герметичность всего аппарата в целом, что увеличивает производительность аппарата.
Прикрепление к кольцевой перегородке тора с положительной плавучестью позволяет создавать вращение выходного патрубка, что уменьшает гидравлическое сопротивление, что в свою очередь повышает производительность.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции циклона.
Циклон состоит из цилиндрического корпуса 1 с коническим бункером 2, герметично соединенным с корпусом 1 в его нижней части, крышки 3, также герметично соединенной в верхней части цилиндрического корпуса 1. К верхней части цилиндрического корпуса 1 тангенциально подведен входной патрубок 4, а в нижней части конического бункера 2 осесимметрично закреплен патрубок 5 для периодического удаления уловленных частиц из конического бункера 2. В крышке 3 с возможностью свободного вращения установлен осесимметрично с корпусом цилиндрический барабана 6, представляющий собой выходной патрубок. На крышке 3 также осесимметрично закреплен кольцевой карман 7, а на цилиндрическом барабане 6 кольцевая перегородка, образующая с кольцевым карманом 7 гидрозатвор. На нижней части кольцевой перегородки 8 закреплен тор 9 с положительной плавучестью.
Циклон работает следующим образом. Перед началом работы в кольцевой затвор, образованный кольцевым карманом 7 и кольцевой перегородкой 8, заливается вода, образуя гидрозатвор. Тор 9, обладающий положительной плавучестью, всплывает вместе с цилиндрическим барабаном 6 и кольцевой перегородкой 8, на которой он закреплен. По входному патрубку 4 подается запыленный воздух, который вращается в цилиндрическом корпусе 1 по спирали и опускается вниз. Под действием центробежной силы частицы дисперсной фазы отбрасываются к стенке цилиндрического корпуса 1 и ссыпаются в конический бункер 2, из которого выводятся периодически через патрубок 5. Под действием касательных напряжений вращающегося потока очищаемого воздуха цилиндрический барабан 6, установленный осесимметрично в крышке 3 с возможностью свободного вращения, начинает вращаться вместе с кольцевой перегородкой 8 и тором 9. Очищенный газ выходит наружу через вращающийся цилиндрический барабан 6.
Экспериментальные исследования показывают, что вращение цилиндрического барабана 6 уменьшает гидравлическое сопротивление циклона в среднем на 22%. Так как гидравлическое сопротивление циклона связано со скоростью потока воздуха во входном патрубке уравнением [Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1974, с. 151]
,
где Δp - гидравлическое сопротивление, Па;
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления;
3
ρ - плотность газа, кг/м;
w - скорость газа во входном патрубке, м/с.
При равном гидравлическом сопротивлении напора, создаваемого вентилятором или компрессором, скорость во входном патрубке 4 можно повысить 1.1 раза, то есть увеличить производительность на 10%.
Таким образом, свободная осесимметричная установка в крышке 3 цилиндрического барабана 6, а также установка на крышке 3 кольцевого кармана 7 и закрепление на цилиндрическом барабане 6 кольцевой перегородки 8, образующей с кольцевым карманом 7 гидрозатвор, и прикрепление к кольцевой перегородке тора 9 с положительной плавучестью, позволяет увеличить производительность по очищаемому газу за счет уменьшения гидравлического сопротивления вращающимся цилиндрическим барабаном 6 по сравнению с неподвижным жесткозакрепленным этим патрубком в типовом циклоне.