Ciclon (inginerie)

Un ciclon

Un ciclon sau un colector de praf centrifugal este o mașină care permite purificarea aerului (sau a unui gaz în general) din praf folosind principiul forței centrifuge . Este utilizat ca tratament preliminar al curentului contaminat pentru reducerea parțială a elementelor poluante din aer.

Mecanism

Ciclonii sunt sisteme de reducere care, fără utilizarea de piese în mișcare și folosirea orificiilor de formare adecvate, permit separarea particulelor contaminante. În special, fluxul de gaz și praf este trecut printr-un sistem format din doi cilindri concentrici. O mișcare în spirală este impusă gazului de intrare în interspațiul dintre cei doi cilindri, de sus în jos. Gazele vor putea apoi să scape trecând prin cilindrul interior, care este mai jos decât cel exterior. Particulele, având o inerție mai mare decât gazul, vor tinde să lovească pereții cilindrului exterior și să cadă în partea de jos a sistemului, unde se află o buncăr pentru recuperarea pulberilor. Pudrele pot fi apoi recuperate pentru o fază ulterioară de tratament. În mod ideal, un ciclon poate fi reprezentat de o structură cilindrică cu o ieșire în formă de pâlnie, constând dintr-o intrare pentru gazul care trebuie tratat și o ieșire. Capacitatea de a trata particule cu granulometrie mai mult sau mai puțin fină depinde de diametrul ciclonului.

Tipuri de cicloni

Principalele tipuri de cicloni sunt:

Convențional, cu intrare tangențială a aerului de tratat și ieșire axială a aerului tratat și a prafului;
Cu intrare tangențială și ieșire laterală a pulberilor;
Cu admisie axială și evacuare axială de praf;
Cu admisie axială și evacuare laterală a prafului.

Etapele tratamentului

Cel mai utilizat sistem este ciclonul convențional care își bazează funcționarea pe un proces care are următoarele faze:

Gazul contaminat este introdus cu o direcție tangențială ciclonului
Datorită formei și dimensiunii dispozitivului, fluxul de aer își asumă o mișcare spirală descendentă
Datorită forței centrifuge, particulele sunt depuse pe pereții ciclonului
Prin forța gravitațională, contaminantul precipită până la fund unde este colectat ulterior
Datorită formei conice a orificiului de ieșire, se creează o diferență de presiune în zona inferioară a ciclonului, care generează inversarea mișcării de rotație a fluxului de gaz. Aerul tratat fără particulele mai grosiere se ridică în sus, prin urmare, un vortex mai mic este generat de-a lungul corpului ciclonului, care permite gazului tratat să scape din orificiul de evacuare situat de-a lungul axei ciclonului.

La ieșire, gazul purificat din contaminantul mai grosier este încă poluat de particule mici pe care sistemul nu le poate separa.

Multiciclonii

Ciclonii pot fi folosiți și ca părți ale unităților modulare în paralel, numite multi - cicloni . În acest caz, sunt utilizate elemente cu diametru mic (de la 15 la 50 cm).

În multi-cicloni elementele pot fi aranjate în următoarele moduri:

Dispus vertical cu intrare axială
În mod înclinat cu intrare tangențială
Elemente dispuse orizontal

Pentru cantități mari de gaz care urmează să fie tratate, multi-ciclonii pot fi formați și din sute de elemente în paralel: aceasta implică costuri foarte mari de tratament (atât pentru instalare, cât și pentru funcționare); în aceste situații, sunt preferate sistemele formate din unul sau mai mulți cicloni dispuși în paralel și cu un diametru mai mare astfel încât să aibă o reducere a costurilor sistemului în detrimentul unei scăderi a capacității de separare a pulberilor fine.

Aplicații

Aspirator portabil cu separare ciclonică

Utilizarea unui ciclon pentru tratarea fumului dintr-un furnal (Landscape Park Duisburg North).

Ciclonii sunt utilizați în gaterele pentru purificarea aerului din praf de rumeguș, în producția de rații animale pentru separarea micro-ingredientelor de aer, în rafinării , în industria cimentului și, de câțiva ani, în unele modele. de aspirator . Ciclonii pot fi folosiți și pentru separarea solidelor suspendate de lichide , dar în acest caz vorbim mai corect de hidrocicloni .

Ciclonii se aplică atunci când aerul de tratat are o concentrație extrem de mare de particule sau când trebuie îndepărtat praful grosier care ar putea deteriora cele mai delicate dispozitive de purificare. În aplicații industriale, ciclonii sunt utilizați pentru tratarea gazelor care conțin particule cu un diametru mai mare de 10 µm.

Majoritatea dispozitivelor de pe piață sunt formate din cicloni cu un diametru cuprins între 5 și 30 cm și permit descompunerea contaminanților cu o dimensiune a particulelor mai mare de 5 µm, în timp ce dispozitivele cu un diametru mai mare (de la 30 la 200 cm) sunt utilizat pentru '' eliminarea particulelor cu o dimensiune granulară mai mare de un milimetru. Acestea din urmă sunt utilizate în general pentru concentrații foarte mari de particule.

Pentru ciclonii convenționali există o eficiență de reducere a prafului care poate varia de la 30 la 90% pentru dimensiunea particulelor de până la 10 µm, așa-numitul PM 10 ^[1] și până la 40% pentru praful cu dimensiuni de până la 2,5 µm (PM2 .5). Există, de asemenea, cicloni cu randament ridicat, cu randamente cuprinse între 60 și 95% pentru dimensiuni de până la 10 µm și de la 20 până la 70% pentru pulberi cu dimensiunea particulelor de ordinul a 2,5 µm. Cu toate acestea, aceste sisteme cu o cădere mare de presiune necesită o cantitate mare de energie pentru a funcționa. În cazul multiciclonilor este posibil să se obțină randamente variabile între 80 și 95% în cazul pulberilor cu dimensiuni mai mici de 5 µm (PM5).

Fluxurile pretratate sunt apoi transportate către alte sisteme de reducere mai scumpe și mai eficiente, care sunt întotdeauna plasate în aval de acest tip de purificatoare.

Ciclonii au multiple avantaje:

eficiență ridicată a particulelor grosiere, de asemenea, reducerea particulelor fine chiar și cu eficiență redusă;
întreținere simplificată, dată fiind lipsa pieselor mobile;
simplitate în recuperarea pulberilor;
nevoie de spațiu limitat pentru implementarea sistemului;
costuri reduse de implementare și utilizare;
capacitatea de a lucra la orice temperatură;
posibilitatea de a lucra cu vapori umezi;
o bună flexibilitate operațională.

Eficiența slabă pentru dimensiunile particulelor fine (mai puțin de 5 micrometri în diametru) este unul dintre principalele dezavantaje, care limitează sever aplicarea acestei metode de tratament și există, de asemenea, riscul de înfundare și coroziune a ciclonului datorită efectului contaminanților . Plantele de acest tip au, de asemenea, căderi de presiune ridicate.

Ecuații de proiectare

Ecuațiile care guvernează fenomenul se bazează pe presupunerea că, pentru ca o particulă să fie doborâtă pe parcursul ciclului de separare, timpul pe care îl petrece în interior trebuie să fie mai mare sau egal cu timpul necesar parcurgerii distanței care îl separă radial de peretele exterior al cilindrului.

Numărul de rotații pe care particula le parcurge de-a lungul mișcării elicoidale în jurul cilindrului exterior este dat de formula empirică

N={\frac {L_{1}+{\frac {L_{2}}{2}}}{H}}

{\ displaystyle N = {\ frac {L_ {1} + {\ frac {L_ {2}} {2}}} {H}}}

{\ displaystyle N = {\ frac {L_ {1} + {\ frac {L_ {2}} {2}}} {H}}}

În cazul în care L ₁ și L ₂ sunt două înălțimi caracteristice ciclonului separator, în timp ce H este înălțimea conductei de intrare a fumului în interiorul răcitorului de răcire.

Odată cunoscut numărul de rotații, timpul de ședere al particulelor din interiorul ciclonului este egal cu:

t={\frac {2\pi RN}{v(g)}}

{\ displaystyle t = {\ frac {2 \ pi RN} {v (g)}}}

{\ displaystyle t = {\ frac {2 \ pi RN} {v (g)}}}

unde este:

R este raza medie a cilindrului interior și a cilindrului exterior;
v (g) este viteza fumurilor din interiorul ciclonului separator.

Timpul necesar pentru ca particula să se lovească de perete este în schimb dat de (luând în considerare cea mai nefericită particulă, care intră tangentă la cilindrul intern):

t={\frac {W}{v(t)}}

{\ displaystyle t = {\ frac {W} {v (t)}}}

{\ displaystyle t = {\ frac {W} {v (t)}}}

unde este:

W este lățimea conductei de admisie a gazelor arse (care coincide, în general, cu lățimea spațiului dintre cei doi cilindri);
v (t) este viteza terminală a particulei, intenționată ca viteza particulei odată ce echilibrul dintre forța centrifugă și forța de tragere dată de fluxul de fum a fost atins.

Din ecuația anterioară rezultă că:

v(t)={\frac {W}{t}}={\frac {Wv(g)}{2\pi RN}}

{\ displaystyle v (t) = {\ frac {W} {t}} = {\ frac {Wv (g)} {2 \ pi RN}}}

{\ displaystyle v (t) = {\ frac {W} {t}} = {\ frac {Wv (g)} {2 \ pi RN}}}

Pentru legea lui Stokes , în cazul mișcării laminare, se aplică următoarele:

v(t)={\frac {d_{p}(\rho _{p}-\rho _{g})v(g)}{18\mu g}}

{\ displaystyle v (t) = {\ frac {d_ {p} (\ rho _ {p} - \ rho _ {g}) v (g)} {18 \ mu g}}}

{\ displaystyle v (t) = {\ frac {d_ {p} (\ rho _ {p} - \ rho _ {g}) v (g)} {18 \ mu g}}}

unde este:

d _p este diametrul particulei;
ρ _p este densitatea particulei;
ρ _g densitatea gazului;
μ este vâscozitatea gazului;
g este accelerația datorată gravitației.

Prin echivalarea ultimelor două ecuații:

{\frac {Wv(g)}{2\pi RN}}={\frac {dp^{2}(\rho _{p}-\rho _{g})v(g)^{2}}{18\mu g}}

{\ displaystyle {\ frac {Wv (g)} {2 \ pi RN}} = {\ frac {dp ^ {2} (\ rho _ {p} - \ rho _ {g}) v (g) ^ { 2}} {18 \ mu g}}}

{\ displaystyle {\ frac {Wv (g)} {2 \ pi RN}} = {\ frac {dp ^ {2} (\ rho _ {p} - \ rho _ {g}) v (g) ^ { 2}} {18 \ mu g}}}

obținem diametrul d _p al celei mai mici particule separate:

d_{p}=\left[9\mu {\frac {W}{2}}\pi Nv(g)(\rho _{p}-\rho _{g})\right]^{0,5}

{\ displaystyle d_ {p} = \ left [9 \ mu {\ frac {W} {2}} \ pi Nv (g) (\ rho _ {p} - \ rho _ {g}) \ right] ^ { 0,5}}

{\ displaystyle d_ {p} = \ left [9 \ mu {\ frac {W} {2}} \ pi Nv (g) (\ rho _ {p} - \ rho _ {g}) \ right] ^ { 0,5}}

Această expresie este corectă dacă se presupune că 100% din particulele cu un diametru mai mare de d _p sunt separate. În realitate, diametrul de tăiere d _pc este utilizat empiric, care se referă la o eficiență de separare de 50% și care este valabil:

d_{pc}={\frac {d_{p}}{\sqrt {2}}}

{\ displaystyle d_ {pc} = {\ frac {d_ {p}} {\ sqrt {2}}}}

{\ displaystyle d_ {pc} = {\ frac {d_ {p}} {\ sqrt {2}}}}

Cunoscând distribuția mărimii particulelor , deoarece dimensiunea particulelor variază, pentru fiecare câmp i dimensional, eficiența separării ciclonului, relativ la câmpul dimensional i, poate fi calculată ca:

h_{i}={\frac {1}{1+\left({\frac {d_{pc}}{d_{pi}}}\right)^{2}}}

{\ displaystyle h_ {i} = {\ frac {1} {1+ \ left ({\ frac {d_ {pc}} {d_ {pi}}} \ right) ^ {2}}}}

{\ displaystyle h_ {i} = {\ frac {1} {1+ \ left ({\ frac {d_ {pc}} {d_ {pi}}} \ right) ^ {2}}}}

unde d _pi este mărimea particulei aparținând câmpului i-dimensional.

Eficiența globală a ciclonului poate fi calculată prin înmulțirea fracțiunii de masă a particulelor aparținând câmpului dimensional i pentru eficiența corespunzătoare și adăugarea produselor obținute pentru diferitele câmpuri i.

„Penetrarea procentuală” P este definită și ca:

P=1-h_{tot}

{\ displaystyle P = 1-h_ {tot}}

{\ displaystyle P = 1-h_ {tot}}

fiind h _tot eficiența totală.

În ceea ce privește pierderile de presiune din interiorul ciclonului, se calculează coeficientul de pierdere Z :

Z={\frac {KHW}{D_{e}^{2}}}

{\ displaystyle Z = {\ frac {KHW} {D_ {e} ^ {2}}}}

{\ displaystyle Z = {\ frac {KHW} {D_ {e} ^ {2}}}}

in care:

K este o constantă între 12 și 18;
D _e este diametrul conductei de ieșire a ciclonului.

Prin urmare, pierderea de presiune este dată de:

\Delta P={\frac {1}{2}}Z\rho _{g}v(g)^{2}

{\ displaystyle \ Delta P = {\ frac {1} {2}} Z \ rho _ {g} v (g) ^ {2}}

{\ displaystyle \ Delta P = {\ frac {1} {2}} Z \ rho _ {g} v (g) ^ {2}}

Notă

^ PM, Particulate Matter, este acronimul utilizat în mod obișnuit pentru a indica un set de particule solide și lichide care sunt suspendate în aer. Aceste particule, de diferite dimensiuni, provin din industrii, echipamente și vehicule în mișcare. Cele „subțiri” au un diametru mai mic de 2,5µm (PM2,5) și provin de la motoare de vehicule, generatoare, uzine industriale, dar și de la incendii forestiere și surse naturale. Particulele cu un diametru mai mare (PM10) sunt în general emise din tranzitul vehiculelor pe drumuri, de pe șantierele de construcții și, de asemenea, din eroziunea solurilor de către vânt. Pentru particulele cu dimensiuni mai mici de 5µm nu este posibil să se obțină eficiențe mai mari de 90% cu utilizarea acestei tehnici. Aceste limitări și evoluția reglementărilor au degradat tehnica de tratament a ciclonului la un sistem de pre-tratament care va fi utilizat în amonte de dispozitive mai sofisticate. Ciclonii sunt în măsură să respecte standardul numai în cazul contaminanților cu dimensiunea particulelor de ordinul 20-30 µm și, prin urmare, permit emisia gazului tratat direct în atmosferă.

Bibliografie

Acest text provine parțial sau integral din descrierea relativă a site-ului novambiente.it disponibilă sub licența Creative Commons CC-BY-3.0
(EN) Robert Perry , Don W. Green, Perry's Chemical Engineers 'Handbook , ediția a VIII-a, McGraw-Hill, 2007, ISBN 0-07-142294-3 .
( EN ) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering , ediția a 6-a, Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, pp. 1045-1047, ISBN 0-07-060082-1 .