POLITECHNIKA OPOLSKA

8.07.1997

Wydział: MECHANICZNY
Kierunek studiów: INŻYNIERIA ŚRODOWISKA
Rok akademicki: 2 Semestr: 4
Wykonały: Dominika SZEJOK

Projekt z aparatury

ochrony środowiska

Temat : Projekt cyklonu

Część teoretyczna

Jedną z najprostszych metod odpylania gazów jest grawitacyjne wydzielanie cząstek aerozolowych ze strumienia gazu. Jest to metoda skuteczna dla cząstek dużych rozmiarów i tylko w niektórych przypadkach może być stosowana jako ostateczna - samodzielna - metoda odpylania gazu. Stanowi więc ona zwykle wstępny etap oczyszczania gazu.

W odpylaczach odśrodkowych - cyklonach - wykorzystuje się bardziej efektywny mechanizm odpylania polegający na działaniu sił odśrodkowych na cząstki aerozolowe. Odpylacze odśrodkowe znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle ze względu na prostą i zwartą budowę, brak części ruchomych, możliwości pracy w warunkach wysokiej temperatury i dużego ciśnienia, niewielkie koszty wykonania oraz nieskomplikowaną obsługę. zasadniczą wadą cyklonów jest znaczny spadek ciśnienia gazu niezbędny do efektywnego odpylania.

Zasada odpylania gazów w cyklonie - wprowadzenie strumienia aerozolu w ruch obrotowy - nie uległa zmianie od 1885 r., kiedy to opatentowano ją w Niemczech i USA. Ilościowe badania procesu odpylania w cyklonie przeprowadził van Tongeren dużo później, bo w latach 1929 - 1939. Nadal są prowadzone prace nad usprawnieniem odpylania przez modyfikację konstrukcji cyklonów w celu bardziej efektywnego wykorzystania energii strumienia gazu, bowiem coraz większe są wymagania odnośnie stopnia odpylania gazów - nie tylko odlotowych.

Strumień aerozolu można wprowadzać w ruch obrotowy (wirowy) kilkoma sposobami. W konstrukcjach klasycznych cyklonów strumień aerozolu jest wprowadzany stycznie do cylindrycznej części aparatu. W innych rozwiązaniach ruch wirowy następuje wskutek przepływu strumienia aerozolu przez nieruchomy wirnik, którego łopatki mają zarys linii śrubowej lub w wyniku wirowania wirnika.

W cyklonach klasycznych z rewersyjnym przepływem gazu (zmiana kierunku przepływu o 180 stopni), gaz wpływa stycznie do części cylindrycznej, a następnie spiralnie spływa w dół do wierzchołka części stożkowej, gdzie zmienia kierunek na przeciwny. Poruszając się dalej ruchem wirowym spiralnym wzdłuż osi cyklonu do góry, opuszcza cyklon centralnie umieszczoną rurą odlotową.

W cyklonach z wlotem osiowym przed wlotem do części cylindrycznej gaz przepływa przez zespół prostych lub profilowanych łopatek nachylonych pod odpowiednim kątem do poziomu lub przez pełny element śrubowy, gdzie następuje zmiana ruchu z prostoliniowego na wirowy.

W cyklonach przelotowych gaz po wprowadzeniu w ruch wirowy nie zmienia już swego kierunku przepływu.

Odpylacze odśrodkowe z wirującym wirnikiem mają ograniczone zastosowanie ze względu na małą sprawność odpylania oraz szybkie zużywanie się łopatek wirnika w wyniku erozji, szybką utratę stabilności dynamicznej i wiele innych niedogodności.

Szerzej omówimy dwa rodzaje cyklonów :

• cyklon wspomagany zewnętrznym polem elektrycznym,

• cyklon z wirującą przegrodą separacyjną.

1.Cyklon wspomagany zewnętrznym polem elektrycznym.

Oczyszczenie powietrza atmosferycznego i gazów odlotowych z zanieczyszczeń występujących w formie skondensowanej (cząstki fazy stałej lub kropel cieczy ) pozostaje ważnym problemem technicznym.

Aczkolwiek opracowane dotąd sposoby oczyszczenia gazów pozwalają na dostateczne wydzielenie cząstek aerozolowych z gazu, to ze względu na rosnące wymagania norm i nowoczesnych technologii, ciągle trwają intensywne prace nad doskonaleniem oraz opracowaniem nowych metod odpylania i konstrukcji odpylaczy.

Do oczyszczenia gazów z cząstek fazy stałej i cieczy obecnie powszechnie stosuje się układy wielostopniowe. W takich układach przedłuża się czas pracy końcowych, wysokosprawnych i najczęściej kosztownych urządzeń odpylających.

Jako odpylacze wstępne w wielostopniowych instalacjach odpylających stosuje się komory osadcze. Służą one do usuwania zgrubnych frakcji cząsteczek, o średnicach powyżej 30 μm. Prędkości liniowe przepływu gazu przez tego typu urządzenia wynoszą 16-25 m/s. Innym urządzeniem stosowanym na wstępnym etapie oczyszczenia jest cyklon. Cyklony zależnie od budowy, mogą usuwać cząstki o średnicach progowych powyżej 5 μm. Elastyczność konstrukcji i prostota działania powodują, że zakres parametrów operacyjnych cyklonu jest szeroki.

W drugim stopniu oczyszczenia stosuje się odpylacze mokre, filtry ziarniste i tkaninowe. Stężenie masowe pyłu podawanego na ten stopień są niższe niż na stopniu pierwszym i wahają się w granicach od kilku do kilkunastu mg/m³.

W trzecim stopniu odpylania , gdzie usuwane są cząsteczki o rozmiarach submikronowych stosuje się wysokosprawne filtry włókninowe i elektrofiltry.

Biorąc pod uwagę niskie koszty budowy prostotę działania i dużą elastyczność operacyjną cyklonów urządzenia te jako wstępne separatory, są w dalszym ciągu obiektem badań. Ich celem jest rozszerzenie zakresu rozmiarów cząstek usuwanych w cyklonie poniżej 5 μm i uzyskanie wyższych sprawności dla cząsteczek większych przy zachowaniu niskich oporów przepływu gazu przez cyklon. Opisany tu będzie cyklon radialny wspomagany zewnętrznym polem elektrycznym.

Cechy cyklonu jako separatora cząstek .

Dla prawidłowego zaprojektowania nowego cyklonu lub poprawy efektywności pracy istniejącej konstrukcji należy dokładniej poznać charakter pracy urządzenia określany przez sprawność odpylania i spadek ciśnienia. Istnieje szereg prób dla określania wpływu parametrów operacyjnych i konstrukcyjnych cyklonu na wartości tych parametrów. Wszystkie wskazują na istotę wpływu struktury przepływu gazu i ruchu cząstki na efekt pracy urządzenia.

Cyklony radialne ze statycznym wlotem zapylonego gazu są najczęściej stosowane do oczyszczenia gazów w przemyśle. Zapylony gaz wprowadzony jest statycznie do cyklonu w celu wytworzenia przepływu wirowego. W przepływie

Układ doświadczalny i sposób przeprowadzenia pomiarów.

Stanowisko pomiarowe do badania skuteczności odpylania oraz oporu przepływu gazu w cyklonie wspomaganym zewnętrznym polem elektrycznym przedstawiono na rysunku 2.

Układ doświadczalny składa się z trzech bloków funkcjonalnych. W bloku przygotowania powietrza sprężone powietrze po dodatkowym oczyszczeniu w filtrze HEPA rozdzielane jest na dwa strumienie. Jeden strumień dochodzi do generatora aerozolu, a drugi po pomiarze natężenia przepływu natężenia przepływu w rotametrze kierowany jest do komory rozcieńczania, w której ustala się stężenie masowe cząstek w powietrzu kierowanym do cyklonu. Aerozol testowy wytwarzany w bloku generacji aerozolu otrzymano w ciśnieniowym atomizerze De Villbisa przez rozprężenie zawiesiny cząstek pyłu testowego w wodzie przepływającej przez dyszę generatora. Rozpylona mgła zawierająca cząstki fazy stałej kierowana była do mieszalnika, dalej do osuszacza. Aerozol testowy o ustalonym wstępnie w badaniach stężeniu przepływał przez cyklon. Stężenie czastek przed i za cyklonem mierzone było za pomocą optycznego licznika cząstek ROYCO model 220. W tym celu próbki aerozolu pobierano przez sondy izokinetyczne i kierowano do licznika. W wyniku pomiaru określono stężenie liczbowe i masowe cząstek odpowiednich rozmiarów. Cząstki fazy stałej tworzącej aerozol testowy stanowił pył krzemionkowy o średnicach w zakresie od 1 do 20 μm.

Na podstawie pomiaru stężenia cząstek za i przed filtrem określono iloraz tych wielkości definiujący penetrację P, cząstek przez cyklon. Sprawność separacji definiowana jest jako η=(1-P). Opory przepływu przez cyklon mierzono za pomocą mikromanometru. Są one miarą różnicy ciśnień gazu na wlocie do cyklonu i na wylocie z rury centralnej aparatu. Obiektem badań był model cyklonu radialnego zaprojektowany dla nominalnych przepływów gazu przez aparat rzędu 10 m³/h. Korpus cyklonu zbudowano z PCV. W stosunku do klasycznych, badany cyklon zmodyfikowano w ten sposób że zewnętrzna ścianka aparatu wyłożona była od wewnątrz pierścieniem metalowym stanowiącym jedną z elektrod podczas gdy metalowa rura wylotu gazu była drugą elektrodą układu cyklonu wspomaganego zewnętrznym polem elektrycznym. Schemat układu badawczego przedstawiono na rys. 1, a wymiary poszczególnych części podano w tablicy 1.

Wymiar	Wielkość [mm]
d	49,8
de	15,1
ds	8,0
h	82,0
hr	60,0
s	58,5
a	22,0
b	10,0
le	50,0

We wstępie prac doświadczalnych określono wpływ długości zanurzenia l_r centralnej rury wylotu gazu z cyklonu na sprawność odpylania cyklonu. Jak wykazały pomiary ma ona istotny wpływ zwłaszcza na penetrację aerozolu przez cyklon, poprzez zmianę udziału części wirowej przepływu gazu przez cyklon oraz zmianę objętości obszaru oddziaływania pola elektrycznego na cząstki aerozolowe. Na podstawie wstępnych pomiarów ustalono optymalną ze względu na skuteczność odpylania, wartość l_e=4,8 cm przy zachowaniu pozostałych wymiarów geometrycznych cyklonu. Pozostałe pomiary prowadzono dla tej wartości l_e. W trakcie pomiarów zmieniono natężenie przepływu gazu przez cyklon, natężenie pola elektrycznego wytwarzanego pomiędzy elektrodami cyklonu oraz kierunek polaryzacji zewnętrznego pola elektrycznego. Dodatkowo badano wpływ wstępnego naładowania cząstek aerozolowych ładunkiem elektrycznym na skuteczność odpylania. W tym przypadku wytworzony aerozol po przejściu przez osuszacz kierowano do komory ładowania, gdzie w polu wyładowania koronkowego cząstki uzyskiwały kierunek głównie w skutek absorpcji wytworzonych jonów. Wstępne obserwacje rozkładu depozytów w cyklonie pokazywały, że w przypadku braku pola elektrycznego cząstki pyłu osadzają się głównie na zewnętrznej ściance cyklonu na obszarze wyznaczonym głębokością zanurzenia rury centralnej a więc w rejonie silnych oddziaływań bezwładnościowych. Ponadto obserwowano osadzanie się cząstek na zewnętrznej ściance centralnej rury wylotu gazu w jej dolnej części. Spowodowane to było głównie przez silne zaburzenia przepływu gazu w tym obszarze powodowane gwałtowną zmianą kierunku przepływu gazu i wzmożonej lokalnej burzliwości przepływu. W przypadku stosowania zewnętrznego pola elektrycznego obserwowano dodatkowo intensywną depozycją cząstek na wewnętrznej ściance rury wylotowej.

2. Cyklon z wirującą przegrodą separacyjną.

Wzrastające wymagania, dotyczące czystości gazów przemy­słowych powodują, że stale prowadzone są prace nad modyfi­kacją i poszukiwaniem nowych rozwiązań konstrukcyjnych odpylaczy. Prace te dotyczą m.in. odpylaczy cyklonowych oraz odpylaczy typu wirówkowego [1]. W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla prace nad wysokosprawnymi odpylaczami gazu rozpoczęły się równolegle z badaniami dotyczącymi fluidalnego reaktora pirolizy z cyrkulującym złożem karbonizatu w związku z wymaganiami wysokiej sprawności układu odpy­lania gazu popirolitycznego. W trakcie prowadzonych prac wy­próbowano wiele rozwiązań konstrukcyjnych odpylaczy, z któ­rych dwa należy uznać jako rozwojowe. Jednym z nich jest od­pylacz typu cyklonowego z wirującą przegrodą separacyjną, drugim odpylacz poziomy z wirującą przegrodą [1, 2].

Budowa odpylacza typu cyklonowego z wirującą przegrodą separacyjną

Odpylacz typu cyklonowego z wirującą przegrodą separacyj­ną przedstawiono na rysunku 1. Proporcje podstawowych wy­miarów odpylacza a/D_z 0,5, b/D_z = 0,2, D_w/D_z = 0,5 przyjęto zgodnie z proporcjami zalecanymi przez Stairmanda dla cyklonów wysokosprawnych [3] Zestawienie obu odpylaczy przedstawiono na rysunku 2.

Doprowadzenie zapylonego gazu do aparatu, jak również odbiór pyłu, odbywa się analogicznie, jak w przypadku cyklonów tradycyjnych. Zasadniczym ele­mentem, różniącym badany odpylacz od cyklonów, jest wirują­ca przegroda separacyjna —2, która ma kształt walca z wycię­tymi na jego powierzchni bocznej szczelinami przepływowymi (rys. 3).

Średnica walca jest równa średnicy przewodu odpro­wadzającego oczyszczony gaz. Przegroda napędzana jest silni­kiem — 1, umieszczonym w górnej części urządzenia. Drugim elementem, charakterystycznym dla tej konstrukcji, jest spo­sób odprowadzania gazu oczyszczonego. Przewód odlotowy —3 przechodzi bowiem praktycznie przez całą długość odpylacza w jego wnętrzu i odprowadza oczyszczony gaz dołem. Pomię­dzy wirującym koszem a przewodem odprowadzającym gaz oczyszczony zastosowano uszczelnienie pneumatyczne w celu uniknięcia przedostawania się zapylonego gazu bezpośrednio do przewodu odprowadzającego z pominięciem wirującej prze­grody. Powietrze doszczelniające doprowadzane jest króćcem — 4 do przestrzeni międzyrurowej przewodu odprowadzającego gaz oczyszczony. Fragment szczeliny pomiędzy wirującą prze­grodą, a przewodem odlotowym przedstawia rysunek 4.

Pomiarów wpływu doszczelnienia pneumatycznego na sprawność odpylania dokonano dla dwóch natężeń przepływu gazu na wlocie do odpylacza: 135 m³/h i 180 m3/h (v_WL = 13,3 i 17,8 m/s) przy n = 1000 obr/min.

Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, ze natężenie przepływu powietrza doszczelniającego w niewielkim stopniu wpływa na wartości sprawności odpylania. Wzrost sprawności wynosi od 0,3 do 0,4%. Sprawność uzyskuje war­tość maksymalną dla przepływu doszczelniającego około 1 m³/h, co odpowiada prędkości w szczelinie równej 2,1 m/s.

W związku z powyższym — w trakcie pomiarów utrzymywa­no stałą wartość przepływu doszczelniającego, równą 1 m³/h.

Można oczekiwać, że wraz ze zwiększeniem skali aparatu, wpływ doszczelnienia pneumatycznego na sprawność odpyla­nia będzie miał tendencję malejącą. Biorąc pod uwagę, że układ doszczelnienia pneumatycznego komplikuje konstru­kcję odpylacza, w zastosowaniach przemysłowych uzasadnio­ne jest odstąpienie od tego rodzaju doszczelnień.

Możliwości poprawy parametrów pracy odpylacza.

Z punktu widzenia przebiegu procesu separacji w odpylaczu z wirującą przegrodą separacyjną (jednokierunkowy przepływ gazu) wysokość przedstawionego na rysunku 1 aparatu mogła by być znacznie zredukowana bez wpływu na sprawność odpylania.

Wyniki prac Gauthiera i innych, dotyczące cyklonów przelotowych, wskazują, że optymalną długością separacji , zdefiniowaną jako odległość pomiędzy pokrywą cyklonu a płaszczyzną wlotu gazu do przewodu odlotowego, jest wielkość z zakresu 2-3 D_z (średnica zewnętrzna cyklonu). Dalsze obniżanie strumienia wlotu gazu do przewodu odprowadzającego gaz oczyszczony powoduje spadek sprawności odpylania. Efekt ten przypisywany jest malejącej intensywności wiru. W przypadku odpylacza typu cyklonowego z wirującą przegrodą separacyjną wpływ długości separacji na sprawność odpylania może zostać zniwelowana poprzez dobór odpowiedniej prędkości rotora. Z tego punktu widzenia istnieją znaczne rezerwy umożliwiające zwiększenie przepustowości i sprawności odpylacza. Dodatkowym efektem wydłużenia wirującej przegrody będzie obniżenie spadków ciśnienia. Przebieg zmian sprawności odpylania i strat ciśnienia w odpylaczu z wirującą przegrodą separacyjną w funkcji wysokości przegrody przedstawiono na rys. 4.

Wdrożenie przemysłowe .

Prototyp aparatu o przepustowości 12000 m³/h zainstalowany został w ZC Racibórz w układzie oczyszczenia spalin z kotła WR-2,5 (rys. .).

Część obliczeniowa

PROJEKT NR 28

Zaprojektować cyklon do odpylania V= 8,5 [m³/s] powietrza o temperaturze T=535 [K]. Stężenie pyłu w oczyszczonym powietrzu wynosi C₁=5,5 [g/m³], a w powietrzu opuszczającym cyklon nie może przekraczać wartości C₂=1,0 [g/Nm³]. Analiza frakcyjna pyłu o gęstości ρ=2300 [kg/m³] wykazała udział (w %) poszczególnych frakcji ziaren.

Zawartość frakcji ziaren d_i w pyle w %

di [μm]	0-5	5-10	10-15	15-20	20-25
zawartość [%]	20	20	25	20	15

Na podstawie danych wyjściowych składu ziarnowego sporządzono wykres sumarycznej krzywej rozkładu wielkości średnic cząstek pyłu.

Z wykresu dla udziału 50 % odczytano wartość średnicy d_m=9,5 μm, która jest medialną zbioru średnic cząstek pyłu (wartość, przy której masa wszystkich ziaren mniejszych lub większych od d_m stanowi 50%). Wielkość odchylenia standardowego wynosi:

σ = = 0,33

gdzie, U_i - udział masowy i-tej frakcji ziaren w pyle.

Obliczenia cyklonu prowadzi się metodą kolejnych przybliżeń. Do obliczeń przyjęto cyklon typu CN - 11, którego główne wymiary są następujące:

- średnica wewnętrzna rury wylotowej D₁ = 0,59D,

- średnica dolnego króćca D2 = (0,3 - 0,4)D,

- szerokość króćca wlotowego w cyklonie b = 0,2D,

- szerokość króćca wlotowego na jego wejściu b_i = 0,26D,

- kąt pochylenia pokrywy i króćca β = 11°,

- wysokość króćca wlotowego h = 0,48D,

- wysokość rury wylotowej h₁ = 1,56D,

- wysokość górnej części rury wylotowej h₂ = 0,3D,

- wysokość części cylindrycznej h₃ = 2,06D,

- wysokość części stożkowej h₄ = 2,0D,

- wysokość całkowita cyklonu H = 4,38D.

Parametry pracy cyklonu CN - 11 :

- d₅₀ = 3,65 [μm],

- lgσ_η = 0,352,

- u_op = 3,5 [m/s].

Wartość współczynnika oporu cyklonu CN - 11:

- ς_500s = 245.

Wielkość powierzchni przekroju przepływu gazu obliczono ze wzoru:

[m² ]

gdzie: V - natężenie przepływu gazu,

u_op - optymalna prędkość przepływu.

Wielkość średnicy cyklonu określono z zależności:

D == 1,76[m]

gdzie, N - liczba cyklonów.

Przyjmuję do dalszych obliczeń D = 1,8 m.

Rzeczywistą prędkość gazu w cyklonie obliczono ze wzoru:

[m/s]

Wielkość średnicy ziaren zatrzymywanych w 50% obliczono z zależności:

=3,65 [μm]

w której indeks „s” odpowiada standardowym warunkom pracy cyklonu o średnicy D_s = 0,6 [m], gęstości ciała stałego ρ_ss = 1930 [kg/m³], lepkości gazu η_s = 22,2 10^-6 [Pa s] i średniej prędkości gazu u_s = 3,5 [m/s]. Dla zadanej temperatury T = 535 [K] lepkość gazu wynosi η = 27,947*10^-6 [Pa*s].

Współczynnik oporu cyklonu:

ς = K₁ K₂ ς_500s + K₃ =1*0,96*245 = 235,2

gdzie: K₁ -współczynnik, którego wartość dla wybranego typu cyklonu o obliczonej średnicy D = 1,8 m wynosi 1,

K₂ - współczynnik którego wartość dla stężenia pyłu C₁ = 5,5 [g/m³] wynosi 0,96,

K₃ - współczynnik wyrażający dodatkowe straty ciśnienia związane z potrzebą połączenia kilku cyklonów w jeden zespół, stąd dla pojedynczego cyklonu K₃ = 0.

Aby móc określić skuteczność odpylania gazu, z równania:

znaleziono wartość parametru x:

=

Dla x = 0,433 wartość funkcji rozkładu ϕ(x) = 0,67

stąd η_p = 50 * ( 1 + 0,67 ) = 83,5 [%]

Wymagana sprawność wynosi:

== 0,818

Obliczona wartość η_p jest większa od wymaganej sprawności η_c , co świadczy o dokładności pomiaru.

Spadek ciśnienia gazu w cyklonie obliczono z zależności:

[Pa]

W praktyce stosowane są cyklony, w których spadek ciśnienia nie przekracza 1000 Pa.

Wielkości potrzebne do zwymiarowania cyklonu

D = 1,8 [m]

D₁ = 1,062 [m]

D₂ = 0,63 [m]

b = 0,36 [m]

b₁ = 0,468 [m]

h = 0,864 [m]

h₁ = 2,808 [m]

h₂ = 0,54 [m]

h₃ = 3,708 [m]

h₄ = 3,6 [m]

H = 7,884 [m]

β = 11°

SCHEMAT CYKLONU TYPU CN - 11

h₂

h₁

h₄

D₁

h₃

β

h

H

D

D₂

b

b₁

---