Этапы развития пылеулавливающих устройств. Конструкция современных циклонов для пылеулавливания.

Распространенность отдельных способов пылеулавливания в значительной мере определяется компактностью оборудования, его стоимостью и сложностью эксплуатации. Именно в силу этого получили широкое распространение и, вероятно, в течение длительного времени его сохранят инерционные отделители пыли, главным образом циклоны.

Как известно, первый патент на конструкцию пылеуловителя-циклона был выдан в 1880 г., а первый электрофильтр был построен только в 1906 г. В настоящее время существует и применяется на практике большое количество пылеуловителей различной конструкции, действие которых основано на использовании различных физических принципов. К ним относятся гравитационные, инерционные, электростатические, термические и другие пылеуловители, ультразвуковые и скоростные (Вентури) коагуляторы. Имеется много разновидностей «мокрых» пылеуловителей, в которых пыль поглощается жидкими пленками или отделяется при промывке газов жидкостями.

Так как с явлением инерционной сепарации приходится сталкиваться во всех пылеулавливающих устройствах, а также в связи с широким применением в технике инерционных классификаторов сыпучих материалов, уточнение представлений об инерционной сепарации имеет несомненный практический интерес. Циклоны получили очень широкое распространение, и можно полагать, что их эффективность в некоторой мере определяет состояние воздушного пространства современных городов. Циклонные аппараты находят все большее применение также во многих технологических процессах. Так, например, в горнорудной, угольной и керамической промышленности применяются циклоны для обогащения и классификации. В энергетической промышленности циклонные аппараты применяются для осушки пара и в качестве отстойников для систем гидрозолоудаления. Очень благоприятным оказалось также использование циклонного процесса в циклонных топках для сжигания пылеугольного топлива.

Сепарация пыли в других видах инерционных отделителей определяется в основном теми же акономерностями, что и циклонная сепарация.

Устройства, использующие принцип циклона, впервые появились еще в 1885 г. и использовались для сбора пыли. Идея центробежного разделения веществ была выдвинута в 1877 г. Делавалем, продемонстрировавшим возможность отделения сливок от молока. Он обнаружил, что путем вращения чана с молоком с частотой 6000 об/мин, приводимого в движение с помощью ременной передачи от парового двигателя, можно быстро отделить частицы жира, составляющие около 9 % объема молока.

Обращает на себя внимание разнообразие конструктивных форм циклонов, которое далеко не исчерпывается изображенными на рисунке аппаратами. В частности, существуют циклоны с прямоточным движением воздуха, с осевым вводом запыленного потока через закручивающий аппарат и ряд других конструктивных модификаций, не показанных на рисунке. Единого критерия для выбора оптимальной формы циклонов еще не существует, однако в конструкциях наиболее современных циклонов все четче проявляется тенденция развития конусной части.

Многие из приведенных конструкций в пояснительной записке находят применение в настоящее время и являются нормализованными. В отечественной технике очистки пыли применяются различные типы циклонов одного назначения. В курсовой работе отмечается, что причиной такого чрезмерного разнообразия является то обстоятельство, что разработкой этих устройств на протяжении десятилетий занималось множество организаций, не координировавших свою деятельность. Несмотря на большое число статей, посвященных результатам испытания циклонов, не представляется возможным сравнить их эффективность, в первую очередь из-за отсутствия сведений о дисперсном составе пыли и о методе дисперсионного анализа. Доказано, что результаты определения дисперсного состава пыли различными методами не совпадают, а способов их пересчета не существует.

В середине 50-х годов ХХ века большое распространение получают конические циклоны СИОТ - Свердловского института охраны труда (СИОТ). Они отличаются высокой эффективностью, совсем не имеют цилиндрической части, поэтому их выхлопная труба вводится в конус. Особенностью циклонов СИОТ является также треугольное сечение входного патрубка. Коэффициент местного сопротивления циклона с улиткой для снятия закрутки потока на выходе равен 3,9 (по скорости во входном сечении циклона). Рекомендуемая скорость, входа воздуха 15-18 м/с.

Циклоны НИИОГАЗ ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У и ЦН-24 являются наиболее распространенными. Цифры 11, 15, 24 соответствуют углу развертки винтового подвода газа в верхней части аппарата. Индекс «У» (укороченный) присвоен циклону ЦН-15, применяемому в условиях, когда высота лимитирована. Высота и площадь входных отверстий в циклонах ЦН-15 и ЦН-24 больше, чем в ЦН-11, в 1,25 и 2,3 раза, а скорость входа соответственно меньше. При равных диаметрах корпуса и одинаковых гидравлических потерях давления пропускная способность у циклонов ЦН-15 и ЦН-24 больше, чем у ЦН-11. Соответственно эффективность этих циклонов, и особенно ЦН-24, ниже, чем ЦН-11. К этой серии можно причислить и циклон ЦМС, разработанный специально для малых котельных и установок промышленной теплотехники, работающих на естественной тяге. Коэффициент местного сопротивления этих циклонов среди аналогичных аппаратов наименьший.

В конце 60-х годов начали внедряться высокоэффективные спирально-конические (СК) и спирально-конические с удлиненным конусом (СДК) циклоны НИИОГАЗ с повышенными гидравлическими сопротивлениями: СК-ЦН-34 и СДК-ЦН-33. (Цифры 34 и 33 обозначают процентное отношение диаметров выхлопной трубы и корпуса.) Их еще называют «сажевые». Отличаются значительно большей эффективностью, чем цилиндрические циклоны. В некоторых случаях могут заменить более сложные в эксплуатации мокрые пылеуловители.

Следует упомянуть и о разработанном несколько позднее модернизированном спирально-коническом циклоне. Отношение диаметров выхлопной трубы и корпуса в этом циклоне еще меньше (0,22) и, соответственно, гидравлические потери еще больше, чем у первых двух аппаратов. Этот циклон был предназначен для использования в установках каталитического крекинга нефтепродуктов, дегидрирования бутана, а также в производстве технического углерода. К этому типу следует также отнести циклон УЦ-38, применяющийся с 50-х годов в аспирационных установках зерновых элеваторов.

В практике пылеулавливания находят также применение циклоны с расширяющимся конусом конструкции ВЦНИИОТ [10]. В циклонах ВЦНИИОТ (Московского института охраны труда) к цилиндрической части примыкает не коническая часть, как обычно, а наоборот, расширяющаяся. Несомненно, что такая форма нижней части циклона ослабляет влияние вторичных циркуляционных течений и уменьшает износ корпуса. В некоторых случаях предупреждается «зависание» слипающейся пыли.

Другой особенностью циклонов ВЦНИИОТ является устройство в их нижнем сечении, выше бункера, конусного днища в виде обращенной вверх воронки с отверстием по оси. Внутренний конус образует кольцевую щель вдоль стенок корпуса циклона, способствующую отделению периферийных слоев течения, обогащенных пылевыми частицами, для пропуска их в бункер. Благодаря этому в бункере уменьшается интенсивность циркуляции и облегчается осаждение пыли. Воздух выходит из бункера через осевое отверстие под влиянием разрежения. Над поверхностью внутреннего конуса возникает своего рода донное течение, которое, однако, уже не может увлечь осевшую пыль, защищенную от него внутренним конусом. Сопротивление циклонов высокое. Коэффициент местного сопротивления циклонов ВЦНИИОТ без улитки для снятия закрутки потока на выходе равен 6,7 (по скорости во входном сечении).

Они имеют некоторое преимущество по сравнению с другими циклонами ввиду отсутствия подсоса в бункере и устойчивости к абразивному износу их конической части.

В деревообрабатывающей промышленности применяются циклоны Гипродревпрома, предназначенные для очистки воздуха от пыли и древесных отходов. Эти циклоны заменили применявшиеся до 60-х годов биконические и цилиндрические циклоны, которые имели малые гидравлические сопротивления, но не справлялись с задачей очистки воздуха от тонкой древесной пыли.

На некоторых предприятиях топливной промышленности с успехом эксплуатируются циклоны Фейфеля. В нижней части циклона имеется устройство, способствующее отделению периферийных, обогащенных пылью, слоев течения, аналогичное такому же устройству в циклоне ВЦНИИОТ. Это устройство выполнено в виде плоского щита с центральным отверстием для рециркуляции воздуха в бункере.

Корпус циклона имеет два перехода от цилиндрической к конической конфигурации. Согласно, цилиндрическая вставка в коническую часть циклона уменьшает интенсивность вихря в его нижней части и в некоторой мере ослабляет размывающие донные течения. Воздух входит в циклон через спиральный закручивающий аппарат. Сопротивление циклона высокое - 6,7 (по скорости во входном сечении).

Всего применялось более 20 разновидностей возвратно-поточных циклонов. В связи с этим во ВНИИОТ (Ленинград) были проведены испытания различных типов циклонов с целью их сравнительной оценки и унификации. В пояснительной записке изображены не все испытанные аппараты. В число испытуемых аппаратов были включены циклоны, разработанные в институтах охраны труда (ЛИОТ, СИОТ и ВЦНИИОТ) и НИИОГАЗ. Циклоны Гипродревпрома не были включены в число опытных образцов ввиду того, что они предназначены для улавливания древесных отходов и их испытание на минеральной пыли не представлялось целесообразным. Испытания были проведены по единой методике, разработанной во ВНИИОТ и одобренной Госстроем. В качестве обязательного раздела в нее входила «Единая методика анализа дисперсного состава промышленной пыли».

На основании полученных результатов Госстрой включил в унифицированный ряд пылеулавливающего оборудования циклон ЦН-11 как наиболее эффективный и одновременно приемлемый по габаритам и удобный для компоновки в группы. Следующие три циклона: ЦН-15, СИОТ и ВЦНИИОТ—по степени очистки равноценны. Хотя они несколько уступают в этом отношении ЦН-11, в некоторых случаях их можно рекомендовать к применению. Так, ЦН-15 имеет диаметр на 10% меньше, чем ЦН-11, и также удобен для компоновки в группы. Циклон СИОТ по высоте меньше ЦН-11 на 30%, но несколько больше (на 17%) по диаметру. Некоторые преимущества циклона ВЦНИИОТ, связанные со своеобразной формой его конической части, уже упоминались, Циклон ЛИОТ не был рекомендован к дальнейшему применению.

Существовавшее стремление к унификации далеко не всегда оправдано. Циклон - не тот аппарат, чтобы его выпускали серийно. В отличие от рекомендаций Коузова, для условий конкретного производства может оказаться приемлемым совсем другой аппарат, тем более что он может являться частью большого ХТА (химико-технологического агрегата).

Схема применения циклонов.

В курсовой работе в качестве типовых схем циклонов приводятся конструкции, представленные на рис.выше. Представленные схемы не отличаются от аппаратов, описанных ранее. Первые три типа аппаратов имеют сходные характеристики удаления пыли. Осевые прямоточные циклоны двух последних типов — рис. г, д, в которых поток закручивается лопатками, не обладают такими хорошими характеристиками, как циклоны других типов. В них формируются неоптимальные профили окружной скорости (т. е. распределения типа вынужденного вихря). Поэтому осевые циклоны используются в тех случаях, когда требуется подать высокий расход воздуха при небольшом перепаде давления. Для получения более приемлемого распределения окружной скорости здесь могут использоваться или профилированные лопатки, или лопатки с двойным углом поворота, однако сложность их изготовления настолько высока, что преимущество, приобретаемое в этой конструкции по сравнению с обычными конструкциями (рис., а, б), представляется не столь уж значительным.

Важной модификацией прямоточного циклона с неподвижным импеллером является циклон, запатентованный Зеннеком и Шауфером в 1953 г., в котором используется принцип обратного потока. Эффективность циклона была значительно улучшена благодаря уменьшению увлечения маленьких частиц за счет их отскока от стенок циклона.

Запыленный газ поступает в основной циклон через тщательно рассчитанное спиральное отверстие 1 и выходит из циклона через его дальний конец 2, причем частицы пыли удаляются из газа, движущегося по спирали. Противоточный газовый поток подается через тангенциальные сопла 3, размещенные в боковых стенках циклона. Он вращается в том же тангенциальном направлении, что и запыленный газ, но в противоположном осевом направлении.

В циклонных камерах твердые частицы, находящиеся в газе, подвергаются действию различных аэродинамических и инерционных сил, зависящих от траектории их движения, и сил сопротивления их движению в газе. Сумма векторов сил в каждый момент времени определяет ускорение частицы.

Трехмерные поля скорости частиц предопределяют траекторию данной частицы. Для выявления поля течения в закрученном потоке поле скорости движения газа следует изучать независимо от поля скорости движения частиц.

Газ, поступающий в циклон, ускоряется под действием перепада давления на входном отверстии.

Входной патрубок слегка наклонен вниз и направлен по касательной к стенке конуса. Характер движения поступающего газа и геометрия циклона приводят к возникновению сильно закрученного течения. При этом возникают градиенты давления, которые ускоряют поток газа в радиальном и осевом направлении.

Кроме того, в закрученном потоке происходит переход от условий движения в свободном вихре к условиям движения в вынужденном вихре, что характерно для вихревого течения.

Свободный вихрь обусловлен потенциальным течением, в котором отдельные частицы жидкости не вращаются вокруг своих собственных осей. Вращательная (тангенциальная) скорость W в свободном вихре описывается соотношением вида wr = const, в котором r - радиус.

Вынужденное вихревое течение возникает под действием крутящего момента, и жидкость (газ) при этом вращается как целое. Вынужденный вихрь представляет собой закрученное течение, в котором каждая отдельная частица вращается вокруг своей собственной оси. Вращательная скорость газа в вынужденном вихре определяется выражением вида W=wr.

Окружная скорость газа в свободном вихре с уменьшением радиуса увеличивается, а в вынужденном вихре уменьшается. Переходная зона между вынужденным и свободным вихрями расположена в области максимальной окружной скорости свободного вихря и представляет собой ту часть вихревого потока, в которой происходит передача крутящего момента к вынужденному вихрю.

Поток газа, поступающий в циклон, несколько наклонен вниз, и вертикальная составляющая скорости потока вблизи стенки конуса при перемещении вниз продолжает увеличиваться из-за конической формы канала. Перемещаясь к центру конуса, газ меняет направление движения и начинает перемещаться вверх. Значение осевой скорости, направленной вверх, внутри вынужденного вихря во много раз превышает значение осевой скорости у стенки конуса. Радиальная скорость газа в вихревом потоке продолжает увеличиваться по направлению к вершине конуса. В некотором горизонтальном сечении радиальная скорость достигает максимума у стенки конуса и обращается в нуль где-то между стенкой конуса и его осью. Вблизи выхлопной трубы радиальная скорость меняет знак, в результате чего появляется циркуляционное движение обратного направления, или вихревой поток. Высокое значение радиальной скорости у стенки конуса обусловлено отклонением газа от осевого движения и увеличением вследствие этого радиальной скорости.

Частицы, движущиеся с газом, подвержены воздействию сил сопротивления и инерции. Из-за сопротивления газа движению отдельных частиц поле течения в вихревом потоке в целом определяет траекторию частицы. Тем не менее, центробежные силы, действующие на частицу, противостоят увлечению их газом в радиальном направлении и удерживают частицы от их перемещения к оси конуса.

Центробежная сила есть следствие инерции, связанной с массой движущейся частицы, стремящейся перемещаться по прямой линии. Эффективность работы циклона обусловлена наличием больших центробежных сил. Из последнего уравнения ясно, что большие центробежные силы возникают в случае больших и плотных частиц, находящихся на малых радиусах, а также в случае малой плотности газа и высокой окружной скорости.

Радиальная скорость снижает эффективность сепарации циклона.

Снижение обусловлено силами сопротивления со стороны газа, стремящимися увлечь частицу:

Fc ≈ dμ(w - wd ).

Эффективность вихревой сепарации может быть усилена снижением сил сопротивления, как в радиальном, так и осевом направлениях, которое достигается уменьшением размера частиц и

использованием газа (жидкости) с малой вязкостью. Размер частицы влияет сильнее на величину центробежной силы(≈d³), чем на величину силы сопротивления (≈d). Следовательно, чем больше частицы, тем выше эффективность сепарации.

Силы, воздействующие на частицы (центробежные силы и силы сопротивления), устанавливают равновесное положение в вихревом потоке. Эти равновесные положения представляют собой точки или радиусы, на которых силы сопротивления уравновешиваются центробежными силами; совокупность этих точек можно представить в виде воображаемой цилиндрической поверхности внутри циклонной камеры.

Положение радиуса равновесного состояния частицы по отношению к линии нулевой осевой скорости важно для определения направления, в котором будет унесена частица - вниз или вверх. Поскольку весь газ и все частицы, расположенные между линией нулевой осевой скорости и осью конуса, движутся к выхлопной трубе, важно установить точку равновесия в надлежащем месте для достижения определенной степени сепарации. Частицы, находящиеся в равновесии в радиальном направлении между линией нулевой осевой скорости и стенкой конуса циклонной камеры, будут перемещаться с потоком вниз, отделяясь от потока газа.

Подведем итоги. В циклонных камерах окружная скорость, соответствующие ей центробежные силы и градиенты давления определяют поле течения. Осевая и радиальная скорости меньше окружной скорости в большей части поля течения. С помощью небольших изменений конструкции и соответственного расположения тангенциальных входных патрубков можно сильно изменить распределение радиальной и осевой скоростей. Влияние геометрических изменений конструкции тангенциальных входных патрубков заключается в воздействии на размеры и форму внутренней зоны циркуляции, в том числе и при дополнительной подаче чистого газа (воздуха).

Заключение

За последние сто лет засорение окружающей среды усилилось разными выбросами. За это время в атмосферу Земли попало, по подсчетам ученых, более миллиона тонн кремния, полтора миллиона мышьяка, около миллиона тонн кобальта. Еще более было выброшено пыли, сажи, копоти, оксидов азота, углерода и серы.

Надо иметь в виду то, что где бы на Земле ни происходили выбросы пыли, сажи, газов, поднимаясь в атмосферу и тропосферу, они распространяются затем по всей оболочке земного шара. Их влияние двояко и имеет глобальные последствия.

Поэтому во все более широких масштабах проводится строительство разного рода очистных сооружений, уменьшающих выбросы в атмосферу.

За 2016 г доля выбросов пищевой промышленности составляет 1,7% от общего объема выбросов промышленных предприятий Республики Татарстан. Общее количество предприятий пищевой промышленности Республики Татарстан равна 3687 единиц, оснащенных газоочистными установками (ГОУ) - 2750. Благодаря введению на предприятиях республики ГОУ наблюдается снижение количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу: 5, 183 т/год – 2015г, 4,394 т/год – 2016 г. Уловлено и обезврежено вредных веществ 71%. Поэтому для очистки отходящих газов цеха по производству дрожжей было решено внедрить циклон. Для этих целей по исходным данным подобрала тип циклона (ЦН–15-900), рассчитал его основные характеристики и фактическую степень очистки, которая составила 76,5%.

Использованная литература

1. Андреев А.Г. Технология производства кормов – М., 1992:

2. Алиев Г.М. Техника пылеулавливания и очистка промышленных газов.

3. Назаров Н.И. Технология и оборудование пищевых производств – М.: Пищевая промышленность, 1977

4. Новаковская С.С., Шишацкий Ю.И. Справочник по производству хлебопекарных дрожжей – М.: Пищевая промышленность, 1980

5. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под общей редакцией Русанова А.А. – 2-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1983

6. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Учебное пособие в 3х томах – Калуга: Изд-во Бочкаревой, 2003 22. №7. P.529-532.

7. Ужов B.H. Очистка промышленных газов электрофильтрами. М.: Химия, 1967.

8. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М.: Стройиздат, 1974.

9. Ужов В.Н., Мягков Б.Н. Очистка промышленных газов фильтрами. М.: Химия, 1970.

10. Майзель М.М. Химическая аппаратура. Харьков: Научно-технич. изд-во, 1937.

11. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987.

12. Пирумов А.И. Аэродинамические основы инерционной сепарации /

Под ред. Н.Я. Фабриканта. М.: Госстройиздат, 1961.

13. Русак О.Н, Милохов В.В. Борьба с пылью на деревообрабатывающих предприятиях. М.: Лесная

промышленность, 1975.

14. Справочник по конструкции сельскохозяйственных машин / Под ред. Б.Н. Клецкина. М.:

Машиностроение, 1967.

15. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрягин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической

промышленности. Л.: Химия, 1982.

16. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под ред. А.А. Русанова. М.: Энергия, 1975.

17. Штокман ЕЛ. Очистка воздуха от пыли на предприятиях пищевой промышленности. М.:

Пищевая промышленность, 1977.

18. Коузов П.А. Сравнительная оценка циклонов различных типов //

Обеспыливание в металлургии. М.: Металлургия, 1971.

19. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. М.: Энергия, 1974.

20.Скрябин Г.М., Коузов П.А. Пылеулавливание в химической промышленности. Л.: Химия, 1976.

16. Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981.

21. Исаков В.П., Федоров В.Н., Сагал JI.M., Шенкер С.И. Вихревой циклонный аппарат // Промышленная и санитарная очистка газов. 1984. № З.С.11.

22. Дерягин Б.В., Михельсон М.Л. Конденсационный метод пылеулавливания для осаждения рудничной пыли // Металлургия и топливо. 1952. № 2. С. 124-158.