Cyklonisk separation - Cyclonic separation

En delvis riven fabrik med dominerande cyklonseparatorer

Cyklonisk separation är en metod för att avlägsna partiklar från en luft-, gas- eller vätskeflöde, utan användning av filter , genom virvelavskiljning . När partiklar avlägsnas från vätska används en hydrocyklon ; medan en gascyklon används från gas. Rotationseffekter och gravitation används för att separera blandningar av fasta ämnen och vätskor. Metoden kan också användas för att separera fina vätskedroppar från en gasformig ström.

Ett roterande (luft) flöde med hög hastighet upprättas i en cylindrisk eller konisk behållare som kallas en cyklon. Luft flyter i ett spiralformat mönster, som börjar vid cyklonens övre (breda ände) och slutar i den nedre (smala) änden innan cyklonen lämnar en rak ström genom cyklonens mitt och ut från toppen. Större (tätare) partiklar i den roterande strömmen har för mycket tröghet för att följa strömens snäva kurva och därmed träffa ytterväggen för att sedan falla till botten av cyklonen där de kan avlägsnas. I ett koniskt system, när det roterande flödet rör sig mot den smala änden av cyklonen, reduceras strömens rotationsradie och separerar därmed mindre och mindre partiklar. Cyklongeometrin, tillsammans med volumetrisk flödeshastighet , definierar skärningspunkten av cyklonen. Detta är storleken på partikeln som kommer att avlägsnas från strömmen med en 50% effektivitet. Partiklar som är större än skärpunkten kommer att avlägsnas med en större effektivitet, och mindre partiklar med en lägre verkningsgrad när de separeras med svårare svårigheter eller kan bli föremål för återinträde när luftvirveln vänder riktning för att röra sig i utloppets riktning.

Luftflödesdiagram för Aerodyne cyklon i standard vertikalt läge. Sekundärt luftflöde injiceras för att minska väggskador.

Luftflödesdiagram för Aerodyne cyklon i horisontellt läge, en alternativ design. Sekundärt luftflöde injiceras för att minska väggnötning och för att hjälpa till att flytta uppsamlade partiklar till behållaren för extraktion.

En alternativ cyklondesign använder ett sekundärt luftflöde inuti cyklonen för att förhindra att de uppsamlade partiklarna träffar väggarna, för att skydda dem mot nötning. Det primära luftflödet som innehåller partiklarna kommer in från cyklonens botten och tvingas till spiralrotation av stationära spinnerskovlar. Det sekundära luftflödet kommer in från toppen av cyklonen och rör sig nedåt mot botten och fångar upp partiklarna från primärluften. Det sekundära luftflödet tillåter också att kollektorn valfritt kan monteras horisontellt, eftersom den skjuter partiklarna mot uppsamlingsområdet och inte enbart förlitar sig på gravitationen för att utföra denna funktion.

Storskaliga cykloner används i sågverk för att avlägsna sågspån från frånluft. Cykloner används också i oljeraffinaderier till separata oljor och gaser, samt i cementindustrin som komponenter i ugnen förvärmare. Cykloner används alltmer i hushållet, som kärnteknologi i påslösa typer av bärbara dammsugare och centraldammsugare . Cykloner används också i industriell och professionell köksventilation för att separera fettet från frånluften i utsugskåpor. Mindre cykloner används för att separera luftburna partiklar för analys. Vissa är tillräckligt små för att bäras på kläder och används för att separera andningsbara partiklar för senare analys.

Liknande separatorer används inom oljeraffineringsindustrin (t.ex. för vätskekatalytisk sprickbildning ) för att uppnå snabb separering av katalysatorpartiklarna från de reagerande gaserna och ångorna.

Analoga anordningar för att separera partiklar eller fasta ämnen från vätskor kallas hydrocykloner eller hydrokloner. Dessa kan användas för att separera fast avfall från vatten i avlopps- och avloppsrening .

Cyklonteori

Eftersom cyklonen i huvudsak är ett tvåfas-partikel-vätskesystem kan vätskemekanik och partikeltransportekvationer användas för att beskriva en cyklons beteende. Luften i en cyklon införs initialt tangentiellt i cyklonen med en inloppshastighet . Förutsatt att partikeln är sfärisk kan en enkel analys för beräkning av kritiska separationspartikelstorlekar fastställas. ${\ displaystyle V_ {in}}$

Om man betraktar en isolerad partikel som cirkulerar i den övre cylindriska komponenten i cyklonen vid en rotationsradie från cyklonens centrala axel, utsätts partikeln därför för drag- , centrifugal- och flytkrafter . Med tanke på att vätskehastigheten rör sig i en spiral kan gashastigheten delas upp i två komponenthastigheter: en tangentiell komponent , och en radiell hastighetskomponent utåt . Om vi antar Stokes lag är dragkraften i den yttre radiella riktningen som motsätter sig utåt hastigheten på någon partikel i inloppsströmmen: ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle V_ {t}}$${\ displaystyle V_ {r}}$

${\ displaystyle F_ {d} =-6 \ pi r_ {p} \ mu V_ {r}.}$

Användning som partikelns densitet, är den centrifugal komponent i den utåtriktade radiella riktningen: ${\ displaystyle \ rho _ {p}}$

${\ displaystyle F_ {c} = m {\ frac {V_ {t}^{2}} {r}}}$

${\ displaystyle = {\ frac {4} {3}} \ pi \ rho _ {p} r_ {p}^{3} {\ frac {V_ {t}^{2}} {r}}.}$

Den flytande kraftkomponenten är i den inåtgående radiella riktningen. Det är i motsatt riktning mot partikelns centrifugalkraft eftersom det är på en vätskevolym som saknas jämfört med den omgivande vätskan. Användning för densiteten hos fluiden, är flytkraften: ${\ displaystyle \ rho _ {f}}$

${\ displaystyle F_ {b} =-V_ {p} \ rho _ {f} {\ frac {V_ {t}^{2}} {r}}}$

${\ displaystyle =-{\ frac {4 \ pi r_ {p}^{3}} {3}} {\ frac {V_ {t}^{2}} {r}} \ rho _ {f}.}$

I detta fall är det lika med partikelns volym (i motsats till hastigheten). Bestämning av den yttre radiella rörelsen för varje partikel hittas genom att Newtons andra rörelselag är lika med summan av dessa krafter: ${\ displaystyle V_ {p}}$

${\ displaystyle m {\ frac {dV_ {r}} {dt}} = F_ {d}+F_ {c}+F_ {b}}$

För att förenkla detta kan vi anta att den aktuella partikeln har nått "terminalhastighet", dvs att dess acceleration är noll. Detta inträffar när den radiella hastigheten har orsakat tillräckligt med dragkraft för att motverka centrifugal- och flytkraften. Denna förenkling ändrar vår ekvation till: ${\ displaystyle {\ frac {dV_ {r}} {dt}}}$

${\ displaystyle F_ {d}+F_ {c}+F_ {b} = 0}$

Som expanderar till:

${\ displaystyle -6 \ pi r_ {p} \ mu V_ {r}+{\ frac {4} {3}} \ pi r_ {p}^{3} {\ frac {V_ {t}^{2} } {r}} \ rho _ {p}-{\ frac {4} {3}} \ pi r_ {p}^{3} {\ frac {V_ {t}^{2}} {r}} \ rho _ {f} = 0}$

Att lösa för vi har ${\ displaystyle V_ {r}}$

${\ displaystyle V_ {r} = {\ frac {2} {9}} {\ frac {r_ {p}^{2}} {\ mu}} {\ frac {V_ {t}^{2}} { r}} (\ rho _ {p}-\ rho _ {f})}$.

Lägg märke till att om vätskans densitet är större än partikelns densitet är rörelsen (-), mot rotationscentrum och om partikeln är tätare än vätskan, är rörelsen (+), bort från centrum . I de flesta fall används denna lösning som vägledning vid utformning av en separator, medan verklig prestanda utvärderas och modifieras empiriskt.

I icke-jämviktsförhållanden när radiell acceleration inte är noll måste den allmänna ekvationen uppifrån lösas. Omarrangera villkor vi får

${\ displaystyle {\ frac {dV_ {r}} {dt}}+{\ frac {9} {2}} {\ frac {\ mu} {\ rho _ {p} r_ {p}^{2}} } V_ {r}-\ vänster (1-{\ frac {\ rho _ {f}} {\ rho _ {p}}} \ höger) {\ frac {V_ {t}^{2}} {r} } = 0}$

Eftersom det är avstånd per tid, är detta en andra ordningens differentialekvation av formen . ${\ displaystyle V_ {r}}$${\ displaystyle x ''+c_ {1} x '+c_ {2} = 0}$

Experimentellt har det visat sig att hastighetskomponenten i rotationsflödet är proportionell mot , därför: ${\ displaystyle r^{2}}$

${\ displaystyle V_ {t} \ propto r^{2}.}$

Detta innebär att den fastställda matningshastigheten styr virvelhastigheten inuti cyklonen, och hastigheten vid en godtycklig radie är därför:

${\ displaystyle U_ {r} = U_ {in} {\ frac {r} {R_ {in}}}.}$

Givet ett värde för , möjligen baserat på injektionsvinkeln, och en avstängningsradie, kan en karakteristisk partikelfiltreringsradie uppskattas, över vilken partiklar kommer att avlägsnas från gasströmmen. ${\ displaystyle V_ {t}}$

Alternativa modeller

Ovanstående ekvationer är begränsade i många avseenden. Exempelvis beaktas inte separatorns geometri, partiklarna antas uppnå ett stabilt tillstånd och effekten av virvelinversionen vid basen av cyklonen ignoreras också, alla beteenden som osannolikt kommer att uppnås i en cyklon vid verkliga driftförhållanden.

Mer fullständiga modeller finns, eftersom många författare har studerat beteendet hos cyklonseparatorer. Förenklade modeller som möjliggör en snabb beräkning av cyklonen, med vissa begränsningar, har utvecklats för vanliga tillämpningar i processindustrier. Numerisk modellering med beräkningsvätskedynamik har också använts flitigt i studien av cykloniskt beteende. En stor begränsning för alla vätskemekaniska modeller för cyklonseparatorer är oförmågan att förutsäga agglomerering av fina partiklar med större partiklar, vilket har stor inverkan på cyklonsamlingseffektiviteten.

Se även

Anteckningar

Referenser

• Högeffektiv horisontell dammuppsamling
• patent 2377524 (juni 1945). länken är trasig
• alternativ länk till citerat patent