Înțelegerea colectoarelor de praf ciclon
… Principiile de funcționare, necesitățile specificațiilor și costurile

Separatoarele de cicloni sunt cele mai simple și mai puțin costisitoare dispozitive de colectare a prafului pentru controlul poluării aerului industrial. Funcționarea și întreținerea sunt simple, deoarece nu au piese în mișcare. Acest articol discută despre cel mai obișnuit design al separatorului de cicloni, tipul de intrare involut cu un flux de contracurent, ieșire de aer curată coaxială.

Principiul de funcționare - Aerul încărcat de praf pătrunde în corpul cilindric/conic al ciclonului tangențial în partea de sus și fluxul își asumă un model de vortex în timp ce se deplasează elicoidal în jos, Figura 1.

collectors
Forța centrifugă de la viteza tangențială a aerului face ca particulele mai grele să se deplaseze radical spre exterior către peretele ciclonului. Când particulele ajung la perete, fricțiunea și gravitația îi forțează să coboare și să se descarce într-un receptor. Aerul curățat spiralează în sus și iese în vârful ciclonului.

Caracteristicile de performanță ale unui ciclon sunt determinate de proporțiile și mărimea acestuia și de proprietățile și debitele de aer și praf. Performanța este descrisă prin scăderea presiunii (consumul de energie), eficiența fracțională (procentul în greutate colectat din orice dimensiune a particulelor) și eficiența totală (procentul total în greutate colectat).

Viteza radială a unei particule, determinată de legea lui Stokes, este o funcție a densității și vâscozității aerului, a densității particulelor, a pătratului diametrului aerodinamic al particulei și a accelerației particulelor. Accelerația este o funcție a pătratului debitului volumetric de aer și a reciprocelor pătratului zonei de intrare și a diametrului corpului ciclonului.

Deoarece modelele de flux din cicloni sunt tridimensionale, relațiile matematice care descriu caracteristicile de performanță sunt foarte complexe. Cu toate acestea, aplicarea legilor fizice stabilite datelor empirice derivate din testele de laborator și experiența pe teren a dus la modele precise de computer pentru prezicerea performanței ciclonului. La rândul său, performanța generală a ciclonului s-a îmbunătățit și domeniul de aplicare al acestor unități sa extins.

Miturile ciclonului - Pentru a aprecia gama și tipul de probleme de poluare a aerului pe care separatoarele de cicloni le pot rezolva din punct de vedere economic și eficient, inginerii instalațiilor trebuie să ia în considerare unele concepții greșite despre echipamente.

Ciclonii sunt potriviți numai pentru colectarea particulelor până la aproximativ 5-10 microni. Această afirmație este o simplificare excesivă, deoarece ignoră două variabile importante, densitatea prafului și căderea de presiune. Unele prafuri de lemn și hârtie au densități de particule de aproximativ 35 lb/pi ft și anumiți compuși ai metalelor grele au densități de 700 lb/pi ft. Referindu-ne la Figura 2, dacă curba de eficiență fracțională pentru ciclonul 3 ar fi revizuită pentru a reprezenta praful de lemn, eficiența unității pe particulele de 2,0 microni ar fi de 0,1 la sută. Cu toate acestea, același ciclon în aceleași condiții de debit de gaz ar avea un 91,1. eficiență procentuală în colectarea particulelor compuse de plumb de 2,0 microni.

Cu un 2,9 in. w.g. căderea de presiune, eficiența ciclonului 3 în colectarea particulelor de praf de 2,0 microni este de 20,6%. Dacă debitul de gaz este dublat sau diametrul ciclonului este redus de la 6,5 ​​la 4,6 picioare, căderea de presiune crește la 11,6 inci și eficiența crește cu 60,9 la sută. Deci, contrar credinței populare, ciclonii pot obține eficiență ridicată în colectarea particulelor până la 1,0 microni și (în unele cazuri) mai jos.

Ciclonii funcționează de obicei la scăderi de presiune în 2 până la 10 in. w.g. gamă. Scăderile de presiune ale ciclonului variază direct în funcție de densitatea gazului. În aplicațiile de control al poluării, densitatea aerului este în mod normal de 0,075 lb/cu. ft. la temperatura și presiunea standard. Cu toate acestea, în procesele industriale, temperaturile pot varia de la 20 la 2000 F și presiunile de la 20 în vid Hg la 250 PSIG. Astfel, densitatea aerului poate varia de la 0,01 la 1,6 lb/pi ft și, în funcție de condițiile de gaz, scăderea presiunii ciclonului poate varia cu un factor de până la 160. Amestecurile de aer, vapori de apă sau alte gaze pot crește și mai mult acest interval.

Relația dintre eficiența ciclonului și scăderea presiunii este, de asemenea, ignorată de acest mit. De obicei, selectarea unui ciclon mai mic într-o anumită „familie” are ca rezultat o eficiență mai mare. (O familie de cicloni este definită ca unități care sunt proporționale geometric între ele, indiferent de dimensiune.) Costul ciclonului, plus costul conductelor aferente, al structurilor de susținere și al forței de muncă pentru instalare, este și mai mic. Dar, costurile motorului și ale ventilatoarelor (în unele cazuri) și consumul de energie cresc.

Probabil cea mai importantă considerație trecută cu vederea în acest mit este viteza de intrare a gazului. Majoritatea literaturii presupune că viteza aerului variază între 20 și 100 fps, viteza în majoritatea aplicațiilor industriale scăzând între 40 și 60 fps. Cu toate acestea, testele de laborator și aplicațiile pe teren au arătat că vitezele de admisie pot fi de până la 10 fps și la fel de mare are sau peste 150 fps.

La viteze mici, este important ca praful să nu se depună și să obstrucționeze intrarea ciclonului. Amenințarea cu deteriorarea prin abraziune și eroziune trebuie luată în considerare la viteze mari. Materialele adecvate, căptușelile speciale sau plăcile de uzură înlocuibile trebuie încorporate pentru a asigura o bună viață a ciclonului.

Cu cât ciclonul este mai mic, cu atât este mai mare eficiența acestuia. Această concepție greșită pe scară largă duce adesea la o selecție necorespunzătoare a ciclonului sau la utilizarea unui colector de praf mai complex atunci când un ciclon simplu va fi suficient. Relația de mărime și eficiență se aplică numai atunci când sunt luați în considerare ciclonii aceleiași familii. În figura 2, ciclonul 1 este o unitate de mare capacitate, cu eficiență medie; Ciclonul 3 este un dispozitiv cu capacitate medie-scăzută, de înaltă eficiență. Datele arată că ciclonul 3 este mai eficient decât ciclonul 1, dar este, de asemenea, cu 48 la sută mai mare.

Dar dacă viteza de intrare sau scăderea presiunii este excesivă în ciclonul 1, o unitate dintr-o altă familie de cicloni poate atinge aceeași eficiență la scăderea de presiune și viteza de intrare mai mici într-un set dat de condiții. De exemplu, ciclonul 2 are un diametru de 3,1 ft, ciclonul 3 și un diametru de 6,5 picioare. Un ciclon de 8,7 metri diametru din aceeași familie ca ciclonul 3 ar avea aproximativ aceeași eficiență ca ciclonul 2, dar ar funcționa la doar 44% din viteza de intrare și 18% din căderea de presiune.

Ciclonii au performanțe mai bune sub presiune pozitivă decât sub presiune negativă. Ciclonii trebuie să se descarce într-un spațiu etanș proporțional corespunzător pentru a funcționa ca fiind nominal. Performanța ciclonului nu va fi afectată de locația ventilatorului dacă se respectă acest criteriu. Prin urmare, performanța este aceeași indiferent dacă unitatea funcționează sub presiune negativă sau pozitivă.

Cu toate acestea, cantitatea de spațiu în care se descarcă ciclonul este importantă. Într-un ciclon de înaltă performanță, există un vortex foarte intens la punctul de evacuare a prafului. Dacă se lasă să se acumuleze praf în această zonă, acesta se va reentra și se va descărca prin orificiul de evacuare a gazului. Și dacă receptorul de praf nu este etanș, aerul poate scurge și curge spre punctul de evacuare a prafului, provocând reîncadrarea - chiar dacă ciclonul funcționează sub presiune pozitivă.

Folosind receptoare etanșe de praf dimensionate pentru a oferi un spațiu de aer mort cu un diametru de cel puțin două ori și o înălțime de trei până la patru ori, diametrul evacuării prafului previne aceste probleme. Niciun praf nu ar trebui să se acumuleze în acest spațiu aerian. Supapele rotative de blocare sau de alimentare dublă ajută la asigurarea receptoarelor etanșe la aer.

Specificarea unui ciclon - Selectarea ciclonului adecvat pentru a oferi un nivel dorit de performanță necesită date de operare precise și fiabile. În plus, sunt necesare informații despre materialele de construcție, caracteristicile echipamentelor și accesoriile.

Condițiile de funcționare pot fi împărțite în condiții de gaz și particule la intrarea ciclonului. Datele privind gazele ar trebui să includă analiza (dacă gazul este altul decât aerul uscat, trebuie specificat procentul din greutate sau volum al fiecărui component), debitul, temperatura și presiunea.

Datele privind particulele ar trebui să includă încărcarea prafului (greutatea pe unitate sau pe unitatea de volum de gaz), densitatea particulelor, distribuția mărimii și o explicație a modului în care au fost determinate datele privind densitatea și distribuția mărimii.

Comportamentul unei particule este afectat de masa, forma, dimensiunile geometrice și textura suprafeței sale. Astfel, pentru a avea vreo valabilitate în prezicerea performanței ciclonului, datele trebuie să definească proprietățile aerodinamice ale prafului. Toate informațiile trebuie să fie reprezentative pentru particulele aeriene care intră în admisia ciclonului. Distribuția densității și a mărimii se determină cel mai bine prin măsurarea vitezei terminale sau de stabilizare în aerul liniștit.

Cerințele de performanță pot fi stabilite prin specificarea căderii de presiune de funcționare și a eficienței de colectare dorite. Dacă distribuția mărimii particulelor este necunoscută, eficiența poate fi exprimată ca procentul de greutate dorit colectat la una sau mai multe dimensiuni de particule. Dacă distribuția este cunoscută, performanța poate fi specificată ca un procent total de greutate colectat dorit sau emisii maxime admise pentru a satisface nevoile federale, de stat sau locale.

Materialele de construcție ciclon sunt în general determinate de proprietățile abrazive și corozive ale prafului și gazelor. Trebuie luate în considerare și temperatura de funcționare, presiunea, încărcarea vântului și condițiile seismice. Oțel, nichel și aliaje de aluminiu pot fi utilizate pentru condiții corozive. Plăcile de uzură înlocuibile, precum și căptușelile speciale de elastomeri, refractare și ceramică minimizează efectele abraziunii. Pot fi furnizate dispozitive de siguranță de reducere a presiunii și accesuri la interiorul ciclonului pentru a facilita curățarea și întreținerea.

Accesorii precum prize de defilare, capace meteorologice, receptoare de praf, supape de alimentare, suporturi structurale și colectoare pentru cicloni multipli sunt de obicei disponibile de la producătorii de cicloni. Orice date referitoare la materialele de construcție, caracteristicile echipamentelor și accesoriile ar trebui să fie încorporate în specificații. Cu informații fiabile și exacte - plus ajutorul de la computere - producătorii pot proiecta și construi cicloni adaptate exact nevoilor utilizatorului.

Costurile ciclonului - Costurile echipamentelor depind de cerințele de performanță, materialele de construcție, caracteristicile speciale și accesoriile necesare pentru aplicație. În general, un singur ciclon mare conceput pentru un anumit nivel de performanță este mai puțin costisitor decât două sau mai multe unități mai mici care funcționează în serie sau paralel, oferind aceleași eficiențe și cădere de presiune.

Figurile 3 și 4 conțin curbe de comparare a costurilor pentru cicloni simpli. Curbele din Figura 3 se bazează pe un 6 in. w.g. cadere de presiune. Costurile sunt prezentate în funcțiile volumului de aer la diferite eficiențe de colectare. Curbele din Figura 4 indică eficiența colectării la 90% la diferite căderi de presiune.

Următoarele criterii sunt comune ambelor ilustrații:

  • Materialul de construcție este de oțel blând, complet sudat, de calibru 10.
  • Gazul este aer la temperatura și presiunea standard.
  • Încărcarea prafului este de 10 boabe/acf.
  • Toți ciclonii sunt unități unice fără accesorii sau caracteristici speciale de proiectare (această condiție nu poate fi întotdeauna practică).


Curbele neglijează factori precum costurile pentru conductele asociate, echipamentele de mișcare a aerului, fundațiile, instalarea și puterea, toate acestea trebuie incluse atunci când sunt determinate costurile generale ale proiectului. Cu toate acestea, curbele ilustrează geografic relațiile cost-performanță și versatilitatea separatoarelor de cicloni.

Sursa: Heumann, M. Jr., „Înțelegerea colectoarelor de praf de cicloni”. Ingineria instalațiilor. 26 mai 1983.